熱泵與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱泵與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法，特點是預(yù)測控制方法的步驟為：建立儲水箱的溫升ΔT隨時間t、太陽能瞬時輻照量e、平均室外環(huán)境溫度ThP、水箱初始溫度TC的擬合函數(shù)式；通過上述擬合方法，對每一種同期氣象條件都進行溫升ΔT曲線擬合，得到一個不同氣象條件下溫升ΔT擬合曲線的集合；因?qū)嶋H的溫升曲線與集合A中有限的擬合曲線不能完全吻合，需對實際預(yù)測溫升曲線進行修正，得到最終預(yù)測溫升ΔT′；最終預(yù)測溫升ΔT′值與初始水溫TC之和即為預(yù)測水箱最終溫度TZ，用戶設(shè)定水溫TS與預(yù)測水箱最終溫度TZ之差ΔT″為需要熱泵熱水器輔助加熱的熱量。其優(yōu)點為：太陽能有效得熱量預(yù)測更準(zhǔn)確，熱泵運行時間段的能效比更高，系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。
【專利說明】
熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣源熱累熱水器輔助太陽能熱水器具有節(jié)能和環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)點，在生活熱 水供應(yīng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋崂蹮崴髋c太陽能熱水器組合中傳統(tǒng)的控制 方法是優(yōu)先使用太陽能加熱，當(dāng)用戶使用熱水時如水溫達不到要求，則開啟熱累熱水器進 行加熱，或者是人工提前開啟或在某一固定時間提前開啟。采用上述控制方法的主要問題 是由于空氣源熱累熱水器的能效比隨室外環(huán)境溫度升高而升高，但隨水箱水溫升高而降 低，如W日常用水高峰在1別寸W后為例，其室外環(huán)境溫度一般比午間最高溫度低5~8°C，而 午間的水箱水溫也比較低。為此，發(fā)明專利"熱累與太陽能熱水器組合的節(jié)能控制方法 UL201210485068.4)"中提出了通過對太陽能熱水器全天得熱量進行預(yù)測，在午間氣溫較 高的時段提前開啟熱累熱水器補充加熱的技術(shù)方案。但由于每天氣象條件都不相同，如何 準(zhǔn)確預(yù)測太陽能熱水器全天所能提供的熱量是實施的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng) 預(yù)測控制方法，其能準(zhǔn)確預(yù)測太陽能熱水器全天得熱量，從而確定所需熱累熱水器輔助加 熱量W及熱累熱水器最佳的開機時間及總的運行時間，實現(xiàn)系統(tǒng)運行節(jié)能目的。
[0004] 為了達到上述目的，本發(fā)明是運樣實現(xiàn)的，其是一種熱累與太陽能熱水器組合系 統(tǒng)預(yù)測控制方法，其特征在于熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)包括熱累熱水器、熱累循環(huán)水 累、儲水箱、太陽能循環(huán)水累、太陽能熱水器、儲水箱水溫傳感器、環(huán)境溫度傳感器及控制 器;其中所述儲水箱水溫傳感器感應(yīng)儲水箱的水溫即水箱溫度T，所述環(huán)境溫度傳感器感應(yīng) 室外環(huán)境溫度即環(huán)境溫度化;所述控制器的預(yù)測控制方法的步驟如下： (一) 影響熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)中的有效得熱量的因素主要有太陽能福照量 和環(huán)境溫度Th，其中太陽能瞬時福照量和全天總福照量直接影響太陽能熱水器的得熱量， 儲水箱因向環(huán)境散熱，室外環(huán)境溫度影響熱累熱水器有效得熱量；因每天的太陽能照射量 和室外環(huán)境溫度不同，將太陽能福照量變化和室外環(huán)境溫度的變化簡化為晴天、多云天、陰 雨天立種不同氣象情況； (二) 將太陽能福照量及室外環(huán)境溫度因素對熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)得熱量的 影響綜合表述為儲水箱的有效得熱量，在給定儲水箱容積的情況下，通過測量儲水箱水溫 傳感器的溫升即可W得到組合系統(tǒng)的有效所得熱量； (=)根據(jù)同期氣象條件試驗數(shù)據(jù)即太陽能瞬時福照量和全天總福照量基本相同，平均 環(huán)境溫度相同，加熱開始時儲水箱的初始水溫也相同的數(shù)據(jù)，建立儲水箱的溫升A T隨時間 t、太陽能瞬時福照量e、平均室外環(huán)境溫度化P、水箱初始溫度Tc的擬合函數(shù)式即溫升A T= / (t，e，Tc，化P);根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)式按晴天、多云天、陰雨天=種不同氣象情 況進行表述； (四） 通過上述擬合方法，對每一種同期氣象條件都進行溫升A T曲線擬合，得到一個不 同氣象條件下溫升at擬合曲線的集合A={ /l(t), /2(t), /3(t) ? ? ? /n(t)}，A是 一個有限集，其將作為預(yù)測特定時間段內(nèi)溫升A T情況的依據(jù)； (五） W早上8點作為計時零點，按照同期氣象條件在集合A中選擇溫升曲線/i(t), /i+l(t), /i+2(t),再根據(jù)早上8點到12點的一組時間點tl,t2,t3 ? ? ?tn，對應(yīng)的儲水箱 的水箱溫度T的實測值Ti,T2,T3 ? ? - Tn，計算Ai=( Tw- Ti)/( tw- ti)W及/i'(t)， / 1+/(t)，/ (t)在ti的值，應(yīng)用最小二乘法判斷與Ai最接近的/ / (t)，得到數(shù)據(jù)與集 合A中哪種天氣比較吻合，即/ i(t)帶入t得到下午用熱時儲水箱預(yù)測溫升值； (六） 因?qū)嶋H的溫升曲線與集合A中有限的擬合曲線不能完全吻合，考慮天氣突變等情 況影響，需對實際預(yù)測溫升曲線進行修正，得到最終預(yù)測溫升A r; (屯)最終預(yù)測溫升A r值與初始水溫Tc之和即為預(yù)測水箱最終溫度Tz，用戶設(shè)定水溫 Ts與預(yù)測水箱最終溫度Tz之差A(yù) T"，即A T"=Ts-Tz為需要熱累熱水器（1)輔助加熱的熱量， 熱累熱水器在環(huán)境溫度化較高時提前啟動運行，當(dāng)熱累熱水器完成輔助加熱的運一部分熱 量即通過熱累熱水器運行溫升達到A T"后停止運行。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點為:太陽能有效得熱量預(yù)測更準(zhǔn)確，熱累運行時間 段的能效比更高，系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0007] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考 附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0008] 如圖1所示，其是一種熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法，熱累與太陽能 熱水器組合系統(tǒng)包括熱累熱水器1、熱累循環(huán)水累2、儲水箱3、太陽能循環(huán)水累4、太陽能熱 水器5、儲水箱水溫傳感器6、環(huán)境溫度傳感器7及控制器8;其中所述熱累熱水器1的出水口 與儲水箱水溫傳感器6的一入水口連通，所述儲水箱水溫傳感器6的一出水口通過熱累循環(huán) 水累2與熱累熱水器1的入水口連通，儲水箱水溫傳感器6的另一出水口通過太陽能循環(huán)水 累4與太陽能熱水器5的入水口連通，儲水箱水溫傳感器6的另一入水口與太陽能熱水器5的 出水口連通;熱累循環(huán)水累2及太陽能循環(huán)水累4受控制器8的控制;所述儲水箱水溫傳感器 6感應(yīng)儲水箱3的水溫即水箱溫度T，所述環(huán)境溫度傳感器7感應(yīng)室外環(huán)境溫度即環(huán)境溫度 Th;所述控制器8的預(yù)測控制方法的步驟如下： (一) 影響組合系統(tǒng)中的有效得熱量的因素主要有太陽能福照量和環(huán)境溫度化，其中太 陽能瞬時福照量和全天總福照量直接影響太陽能熱水器5的所得熱量，儲水箱3因向環(huán)境散 熱，室外環(huán)境溫度影響熱累熱水器1有效所得熱量；因每天的太陽能照射量和室外環(huán)境溫度 不同，將太陽能福照量變化和室外環(huán)境溫度的變化簡化為晴天、多云天、陰雨天=種不同氣 象情況； (二) 將太陽能福照量及室外環(huán)境溫度因素對熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)所得熱量 的影響綜合表述為儲水箱3的有效得熱量，在給定儲水箱3容積的情況下，通過測量儲水箱 水溫傳感器6的溫升即可W得到熱累與太陽能熱水器組合系統(tǒng)的有效所得熱量； (=)根據(jù)同期氣象條件試驗數(shù)據(jù)即太陽能瞬時福照量和全天總福照量基本相同，平均 環(huán)境溫度相同，加熱開始時儲水箱的初始水溫也相同的數(shù)據(jù)，建立儲水箱的溫升A T隨時間 t、太陽能瞬時福照量e、平均室外環(huán)境溫度化P、水箱初始溫度Tc的擬合函數(shù)式即溫升A T= / (t，e，Tc，ThP);根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)式按晴天、多云天、陰雨天S種不同氣象情 況進行表述，具體表述如下： (a) 陰雨天:溫升at與時間t基本呈線性關(guān)系，用拉格朗日差值法， 對雨天同期氣象條件的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合函數(shù)式可W表述為 A T=kt+c，k、c的值可帶入具體試驗數(shù)據(jù)計算得出； (b) 多云天:溫升AT與時間t基本呈連續(xù)狀態(tài)和上升趨勢，且沒有明顯拐點，采用牛頓 插值法，根據(jù)差商構(gòu)造 AT=/ (t)= / [tO]+ / [tO,tl](t-tO)+ / [t0,tl,t2](t-t0)(t-tl) + .../ [to,. . .tn](t-tO). . . (t-tn-l)+I?n(t)，其中余項化（t)= / [t，tO,. . .tn] ? 如i (t)，進行曲線擬合，得到形如/ (t)=Nn(t)+Rn(t)的表達式，可W用牛頓插值或二次插 值法求解得到化(t); (C)晴天:太陽福照量大，水箱升溫較快，同時由于與環(huán)境溫度化的溫差加大，水箱散熱 量也增大，存在一個時間拐點，溫升達到最大值，而W后隨著時間推移，太陽福照降低，太陽 能獲得的熱量與水箱散熱基本接近，溫升曲線趨于平緩，用兩個時間節(jié)點積分值增量反應(yīng) 溫升情況，求解牛頓-科特斯公式
，其中Cf ^，cotes系數(shù)僅取 決于n和i;通過數(shù)據(jù)驗證得到的AT=/ (t，e，Tc，化P)，存在某個ti，使得/ (t)的n次幕 大于0,而/ (t)的n+1次幕等于0,即得到的溫升曲線存在曲線峰值； (四） 通過上述擬合方法，對每一種同期氣象條件都進行溫升A T曲線擬合，得到一個不 同氣象條件下溫升at擬合曲線的集合A={ /l(t), /2(t), /3(t) . . . /n(t)}，A是 一個有限集，其將作為預(yù)測特定時間段內(nèi)溫升A T情況的依據(jù)； (五） W早上別寸作為計時零點，按照同期氣象條件在集合^中選擇溫升曲線/i(t), /i+l(t)，/i+2(t)，再根據(jù)早上8點到12點的一組時間點tl,t2,t3 ? ? - tn，對應(yīng)的儲水箱3 的水溫T的實測值Ti,T2,T3 ? ? - Tn，計算Ai=( Ti+廣 Ti)/( ti+廣 ti似及/i'(t)，/i+1' (t)，(t)在ti的值，應(yīng)用最小二乘法判斷與Ai最接近的//(t)，得到數(shù)據(jù)與集合A中 巧剛天氣比較吻合，即/ i(t)帶入t得到下午用熱時儲水箱3預(yù)測溫升值； (六） 因?qū)嶋H的溫升曲線與集合A中有限的擬合曲線不能完全吻合，考慮天氣突變等情 況影響，需對實際預(yù)測溫升曲線進行修正，修正的方法為:取上午10時至12時時間段內(nèi)均勻 分布的幾個時間點中對應(yīng)的實際溫升at值與集合^中近視吻合的擬合曲線計算得到的溫 升A T值的偏差平均值肌，作為最終預(yù)測溫升A T的修正值，修正后的最終預(yù)測溫升值A(chǔ) r = AT+dT； (屯)最終預(yù)測溫升A r值與初始水溫Tc之和即為預(yù)測水箱最終溫度Tz，用戶設(shè)定水溫 Ts與預(yù)測水箱最終溫度Tz之差A(yù) T"，即A T"=Ts-Tz為需要熱累熱水器1輔助加熱的熱量，熱 累熱水器1在環(huán)境溫度化較高時提前啟動運行，可設(shè)定中午12時為啟動運行開始時間，當(dāng)熱 累熱水器1完成輔助加熱的運一部分熱量即通過熱累熱水器1運行溫升達到A T"后停止運 行。
[0009]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可W理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可W對運些實施例進行多種變化、修改、替換及變形，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 一種熱栗與太陽能熱水器組合系統(tǒng)預(yù)測控制方法，其特征在于熱栗與太陽能熱水器 組合系統(tǒng)包括熱栗熱水器（1)、熱栗循環(huán)水栗（2)、儲水箱（3)、太陽能循環(huán)水栗(4)、太陽能 熱水器(5)、儲水箱水溫傳感器(6)、環(huán)境溫度傳感器(7)及控制器(8);其中所述儲水箱水溫 傳感器(6)感應(yīng)儲水箱(3)的水溫即水箱溫度T，所述環(huán)境溫度傳感器(7)感應(yīng)室外環(huán)境溫度 即環(huán)境溫度Th;所述控制器(8)的預(yù)測控制方法的步驟如下： (一) 影響熱栗與太陽能熱水器組合系統(tǒng)中的有效得熱量的因素主要有太陽能輻照量 和環(huán)境溫度Th，其中太陽能瞬時輻照量和全天總輻照量直接影響太陽能熱水器(5)的得熱 量，儲水箱(3)因向環(huán)境散熱，室外環(huán)境溫度影響熱栗熱水器（1)有效得熱量;因每天的太陽 能照射量和室外環(huán)境溫度不同，將太陽能輻照量變化和室外環(huán)境溫度的變化簡化為晴天、 多云天、陰雨天三種不同氣象情況； (二） 將太陽能輻照量及室外環(huán)境溫度因素對熱栗與太陽能熱水器組合系統(tǒng)得熱量的 影響綜合表述為儲水箱(3)的有效得熱量，在給定儲水箱(3)容積的情況下，通過測量儲水 箱水溫傳感器(6)的溫升即可以得到組合系統(tǒng)的有效所得熱量； (三) 根據(jù)同期氣象條件試驗數(shù)據(jù)即太陽能瞬時輻照量和全天總輻照量基本相同，平均 環(huán)境溫度相同，加熱開始時儲水箱(3)的初始水溫也相同的數(shù)據(jù)，建立儲水箱(3)的溫升ΔΤ 隨時間t、太陽能瞬時輻照量e、平均室外環(huán)境溫度ThP、水箱初始溫度TC的擬合函數(shù)式即溫升 ΔΤ=/ (t，e，Tc，ThP);根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)式按晴天、多云天、陰雨天三種不同 氣象情況進行表述； (四） 通過上述擬合方法，對每一種同期氣象條件都進行溫升△ T曲線擬合，得到一個不 同氣象條件下溫升AT擬合曲線的集合A={ /Kt)，/2(t)，/3(t) · · · /n(t)}，A是 一個有限集，其將作為預(yù)測特定時間段內(nèi)溫升A T情況的依據(jù)； (五） 以早上8點作為計時零點，按照同期氣象條件在集合Α中選擇溫升曲線/Jt)， /i+1(t)，/i+2(t)，再根據(jù)早上8點到12點的一組時間· · ·?η，對應(yīng)的儲水箱 (3)的水箱溫度Τ的實測值禮!^,!^ · · ·Τη，計算Ai=( Ti+1- Ti)/( ti+1- ti)以及// (t)，/1+/(t)，的值，應(yīng)用最小二乘法判斷與八1最接近的//(t)，得到數(shù) 據(jù)與集合A中哪種天氣比較吻合，即/ Kt)帶入t得到下午用熱時儲水箱(3)預(yù)測溫升值； (六） 因?qū)嶋H的溫升曲線與集合A中有限的擬合曲線不能完全吻合，考慮天氣突變等情 況影響，需對實際預(yù)測溫升曲線進行修正，得到最終預(yù)測溫升A f ; (七) 最終預(yù)測溫升△ f值與初始水溫TC之和即為預(yù)測水箱最終溫度Tz，用戶設(shè)定水溫 Ts與預(yù)測水箱最終溫度Τζ之差Δ Τ〃，即Δ T〃=Ts-Tz為需要熱栗熱水器（1)輔助加熱的熱量， 熱栗熱水器（1)在環(huán)境溫度Th較高時提前啟動運行，當(dāng)熱栗熱水器（1)完成輔助加熱的這一 部分熱量即通過熱栗熱水器(1)運行溫升達到A T〃后停止運行。
【文檔編號】F24H4/02GK106052162SQ201610506160
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】鄒時智, 徐言生, 蔡棟, 傅仁毅
【申請人】順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院