CN103225909B - 双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法及装置。所述方法包括以下内容：通过阀门连接并控制阀门开关或调节，使得主、辅热源设备、蓄热水箱既可以分别独立地对热需求侧供热，又可以使主热源分别串联在辅助热源或者蓄热水箱前端进行串联组合供热。并且在任何工作状态下，高温工质只能从蓄能水箱热侧端口进出，低温工质只能从蓄能水箱冷侧端口进出。尤其在使用太阳能和分时计价的电力能源时，既可以提高太阳能的能源替代率，又可以对电能移峰填谷。将本方法的组态逻辑嵌入控制装置的软件中，便可以将本装置智能化。

Description

双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法及应用

技术领域

本发明涉及一种双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法，以及应用该方法的双热源供热***。本发明可应用于太阳能热利用领域使用的控制机组。

背景技术

在现有技术中，广泛采用具有蓄热功能的双热源供热***，其中主热源可以是太阳能，辅助热源可以是天然气、电力等。在这类供热技术中，一般采取将主热源的热量先送入蓄热水箱（储水箱），再由蓄热水箱向外供热的方式。

辅助热源加热设备一般在***结构上有三种接入方式：

第一、如图1中所示，辅助热源加热设备1放置于蓄热水箱3内，供热***存在两种工作组合状态（以下简称“组态”）：主热源2加热工质的温度低于设计供热温度时停止工作，辅助热源加热设备1开启对工质加热，主热源2加热工质达到或高于设计供热温度时投入运行，辅助热源加热设备1停止对工质加热，这属于主辅热源并联使用的***结构。  

两种组态所对应的工作过程为：

1）当工质经主热源2（如：太阳能集热器）加热并且温度高于设计供热温度时，在泵5的推动下进入蓄热水箱3，辅助热源加热设备1关闭。由于重力作用，蓄热水箱3顶部的高温工质不能下沉，在泵6的作用下进入热需求侧4放热后成为低温工质，经泵6进入蓄热水箱3底部。同样由于重力作用，蓄热水箱3底部的低温工质不能上浮，在泵5的作用下进入主热源2被加热，工质完成了一个加热供热循环。

2）当工质经主热源2后温度低于设计供热温度，泵5停止，辅助热源加热设备1开启加热。蓄热水箱3顶部经加热的高温工质在泵6的作用下经热需求侧4放热后，经泵6进入蓄热水箱3底部。由于泵5停止，在泵6的作用下蓄热水箱3底部的低温工质上浮并经辅助热源加热设备1加热，完成一个加热供热循环。

主热源2与辅助热源加热设备1按上述方式交替工作，形成两个组态。一方面确保蓄热水箱3顶部工质温度高于设计供热温度，一方面避免主热源2、辅助热源1之间工作冲突。但这个供热***的最大问题是，在两个组态下均有加速容器内部的工质上下混流扰动的问题。因混流扰动减小了容器内上下工质的温差而相对降低了供热温度，导致辅助热源加热设备1提前（或推迟）进入（或退出）加热工作，结果是一方面延长了辅助热源加热设备1的工作时间，从而增加了能耗；另一方面是缩短了主热源2及蓄热水箱3的工作时间，降低了太阳能热利用效率和蓄热水箱蓄热效率。

第二、如图2中所示，辅助热源加热设备1在蓄热水箱3外部，且与蓄热水箱3并联，组态及组态条件与第一种连接方式相同。当主热源2加热工质的温度低于设计供热温度时停止工作，泵5停止，断开蓄热水箱3，辅助热源加热设备1开启对工质加热，工质经泵6、辅助热源加热设备1、热需求侧4形成循环；当主热源2加热工质达到或高于设计供热温度时投入运行，辅助热源加热设备1所在管路断开，停止对工质加热。第二种连接方式同样是并联结构，相对第一种连接方式，该方式避免了辅助热源加热设备1投入工作时对蓄热水箱3的混流扰动，但未解决主热源2对蓄热水箱3的混流扰动问题。

上述两种主辅热源并联连接的***结构存在一个共同问题：当主热源2有能力加热使得在蓄热水箱3顶部的工质温度高于热需求侧4放热后的工质温度但低于设计供热温度时，这个加热阶段的热量不能被利用，这是对过渡状态能源的浪费。

第三、如图3中所示，从蓄热水箱3送出的工质经过辅助热源加热设备1后进入热需求侧4供热，在此基础上，在蓄热水箱3两端增加由两个三通阀7、8控制换向的旁通管路。这种连接方式有三种组态：当蓄热水箱3输出的工质温度高于经热需求侧4放热后送出的工质温度时，旁路断开并接通蓄热水箱3，相当于主辅热源串联，并产生两种组态：当蓄热水箱3输出工质的温度低于设计供热温度时，辅助热源加热设备1开启加热，在工质温度高于设计供热温度时辅助热源加热设备1关闭；当蓄热水箱3输出工质的温度低于热需求侧4放热后送出的工质温度时，旁路接通，并断开蓄热水箱3，辅助热源加热设备1独立供热。

具体工作过程如下：

当主热源2加热能力下降到蓄热水箱3顶部工质温度低于热需求侧4放热后的温度时，三通阀7和8 接通旁通管路，并断开蓄能水箱5，这与前面所述的第二种连接方法相同，不再赘述。

当工质温度经主热源2加热高于热需求侧4放热后的温度时，三通阀7和8 断开旁通管路。蓄能水箱3、三通阀7、辅助热源加热设备1、热需求侧4、泵6、三通阀8依次连接，形成串联通道。此时，当蓄热水箱3顶部工质温度处于高于热需求侧4放热后的工质温度但低于设计供热温度的过渡状态时，辅助热源加热设备1开启；当蓄热水箱3顶部工质温度高于设计供热温度时，辅助热源加热设备1关闭。上述后两种组态的结合虽然解决了过渡状态能源浪费的问题，但两侧的循环以及两侧流量的不平衡会加速混流扰动。

由于上述现有技术中的***结构无法建立可以使主热源2与蓄热水箱3相互独立工作的组态方法，且在蓄热水箱3工作时总存在不必要的混流扰动，因此严重降低了主热源2的使用效率和蓄热水箱3的蓄热效率，也大大缩短了蓄热水箱3的有效工作时间。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法，以及应用该方法的双热源供热***。

本发明双热源供热***冷热分隔式多组态控制方法，所述的双热源供热***包括主热源、辅助热源、蓄热水箱、泵、热需求侧设备，***中各组成部分之间通过管路相连，所述供热***通过在所述管路上设置控制阀使流经主、辅热源、蓄热水箱、泵、以及热需求侧设备的工质的流通路径均能够独立分开，以便能够组成以下各工作状态并在各组态之间转换，以实现在消除或减小对蓄热水箱产生的混流扰动的同时，提高主热源的利用效率，实现对辅助热源的移峰填谷：

1）使主热源、辅助热源、蓄热水箱能够分别单独对热需求侧设备进行供热；

2）使工质能够经主热源后再分别经辅助热源或蓄热水箱向热需求侧设备供热； 

3）使主热源、辅助热源能够分别单独对热需求侧设备和蓄热水箱同时进行供热；

4）使工质能够经主热源后再经辅助热源向热需求侧设备和蓄热水箱同时供热，并且供给热需求侧设备和蓄热水箱的热量比例可以调整；

5）蓄热水箱具有两个端口，其中一个端口通过阀门分别与所述泵的出、入口连接，任何组态下，确保高温工质只从蓄热水箱的一个端口进出，低温工质只从蓄热水箱的另一个端口进出。

进一步，所述双热源供热***的组态具体包括：

1．所述蓄热水箱作为热需求侧设备，进行蓄热时，

1.1所述主热源单独为蓄热水箱供热，

1.2所述辅助热源单独为蓄热水箱供热，

1.3所述主热源和所述辅助热源串联后为蓄热水箱供热；

2．所述蓄热水箱被完全断开，直接由主和/或辅热源向所述热需求侧设备供热时，

2.1所述主热源单独为热需求侧设备供热，

2.2所述辅助热源单独为热需求侧设备供热，

2.3所述主热源和所述辅助热源串联后为热需求侧设备供热；

3．由所述主和/或辅热源同时向所述热需求侧设备和所述蓄热水箱供热时，此时，热需求侧设备和蓄热水箱处于并联状态，蓄热水箱进行蓄热，

3.1所述主热源单独供热，

3.2所述辅助热源单独供热，

3.3所述主热源和所述辅助热源串联后供热；

4．由所述主和/或辅热源向所述蓄热水箱供热，再由蓄热水箱向所述热需求侧设备供热时，

4.1所述主热源单独供热，

4.2所述主热源和所述辅助热源串联后供热。

进一步，所述主热源串联在所述辅助热源的前端，为进入辅助热源加热的工质进行预热，以充分利用主热源在过渡状态产生的热量，所述过渡状态指的是主热源加热的工质温度高于经热需求侧设备放热后的工质温度，但低于热需求侧设备的设计供热温度。

进一步，所述控制方法利用控制装置对所述管路上设置的所述控制阀进行控制，实现对所述供热***组态的自动转换及各组态下工作过程的自动控制。

一种双热源供热***，包括主热源、辅助热源、蓄热水箱、泵、热需求侧设备，***中各组成部分之间通过管路相连；所述管路上设置有控制阀，使流经主、辅热源、蓄热水箱、泵、以及热需求侧设备的工质的流通路径均能够独立分开，使主热源、辅助热源、蓄热水箱能够分别单独对热需求侧设备进行供热；蓄热水箱具有一个热侧端口和一个冷侧端口，任何组态下，供热***中的高温工质始终从蓄热水箱的热侧端口进出，低温工质始终从蓄热水箱的冷侧端口进出。

进一步，所述供热***还包括控制装置，通过该控制装置对所述管路上设置的所述控制阀进行控制，实现对所述供热***组态的自动转换及各组态下工作过程的自动控制。

本发明通过使流经主、辅热源、蓄热水箱、泵、以及热需求侧设备的工质的流通路径均能够独立分开，使主热源、辅助热源、蓄热水箱能够分别单独对热需求侧设备进行供热，从运行原理上消除或减小了对蓄热水箱的混流扰动，同时还使过渡状态下主热源的热量得到充分利用。

尤其在使用太阳能和分时计价的电力能源时，既可以提高太阳能的能源替代率，又可以对电能移峰填谷。将本方法的组态逻辑嵌入控制装置的软件中，便可以将本装置智能化。

附图说明

图1是现有技术供热***第一种结构形式示意图；

图2是现有技术供热***第二种结构形式示意图；

图3是现有技术供热***第三种结构形式示意图；

图4是本发明双热源供热***的冷热分隔式多组态控制方法***原理图。

图中，11主热源，14辅助热源加热设备，15泵，19三通换向及调节阀，22热需求侧设备，24蓄热水箱，12、13、16、17、18、20、21、23控制阀，T1、T2、T3、T4温度传感器，K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8端口。

具体实施方式

图4所示是本发明控制方法原理示意图。

如图4中所示，主热源11有四种工作状态：当工质经主热源11端口K2输出时，根据其温度T1不同，选择性打开阀门13、16或17。

阀门13打开时，工质经辅助热源加热设备14后由泵15输出供热，这是主、辅热源串联结构，主热源11为辅助热源提供预热。

阀17打开时，工质经蓄热水箱24后经阀18由泵15输出供热，这是主热源与蓄热水箱24串联的结构，这时蓄热水箱24处于辅助热源的地位，蓄能水箱24吸收了主热源11的热量。

上述两种组态充分回收了主热源11处于过渡状态时的热量。

阀门16打开时，工质经泵15输出主热源11的热量进行供热，主热源11处于直接供热状态，并与蓄热水箱24完全断开。

阀13、16、17关闭时，主热源11的端口K1及K2不能形成回路，为主热源11的停止状态，并与蓄热水箱24完全断开。

上述两种与蓄热水箱24完全断开的状态下，主热源11没有对蓄能水箱24产生任何扰动。

辅助热源加热设备14有三种工作状态：当阀门12打开时，经热需求侧设备22放热后的低温工质进入辅助热源加热设备14加热，通过泵15供热；阀13打开时来自于主热源11的工质被加热（此状态已述）；阀12、13关闭时辅助热源加热设备14处于无法循环的停止状态。

流经蓄热水箱24的工质是双向的。当阀18打开时，高温工质从蓄热水箱24的端口K7输出，经泵15供热，端口K8为入口，此时蓄热水箱24为供热状态。蓄热水箱24在供热状态下，有两种组态方式：当阀17关闭、阀23打开时，蓄热水箱24直接向热需求侧设备22供热；阀17打开、阀23关闭时的状态已述。在这两种状态下，蓄热水箱实际上均取代了辅助热源的功能。在主热源11或辅助热源14独立或联合供热时，若阀19指向阀20且阀20打开时，泵15所供热量的一部分从端口K7进入蓄热水箱24，此时蓄热水箱24为蓄能状态，端口K8为工质出口，此时阀17关闭、阀23打开。从托普的广义分析，此时蓄热水箱24被放置在了热需求侧。高温工质始终从端口K7进出，因而将端口K7定义为热侧。相应端口K8定义为冷侧，只允许低温工质进出。当阀17、18、23关闭并且阀19指向阀21（阀17、18、20、23关闭）时，蓄热水箱24处于停止状态，且不与外界发生工质交流，完全杜绝了混流扰动。

进一步，在阀19、20、21中，可以只保留阀19，取消阀20、21，或只保留阀20、21，取消阀19，不会影响***组态的任何效果。

阀19（或阀20、21，或阀19、20、21）承担了来自泵15的供热工质在热需求侧22及蓄能水箱24之间的分配功能。在蓄能或露天管道防冻时，可以根据热需求侧22的耗热量调整分配比例，达到保证供热质量前提下最大限度的蓄能目的或防冻效果。在蓄热水箱24处于供热或停止时，分配给蓄能水箱24的工质流量为0。

进一步，蓄热水箱24对于蓄能的热源状态没有限制，仅取决于从泵15经阀19（或阀20、21）分配的工质比例。在主热源11独立加热、辅助热源14独立加热或经主热源11预热后进辅助热源14加热三种状态下，蓄热水箱24均可进入蓄热状态。

从附图4及上述分析可知，蓄热水箱24在任何工作状态下，不存在多条路径，只有单一的位于上方的热侧端口和单一的位于下方的冷侧端口，其流量仅取决于自身蓄热量和供热量，与热源侧及热需求侧工作状态均无直接关系，从而最大限度的减小了混流扰动因素。

进一步，将所述的主热源11、辅助热源14、蓄热水箱24及热需求侧22各自可建立的状态进行组合，就产生了本发明的完整组态方法。将这个组态方法的全部逻辑嵌入控制装置的软件中，便可以将本装置智能化。

通常可以将能源费用相对价格较低的能源设备（比如太阳能集热***）接入主热源11的位置，将能源费用相对价格较高的能源设备（天然气加热设备（包括直燃机）、电加热设备（包括热泵））等接入辅助热源14的位置。特别当电加热***接入辅助热源14时，本***又通过对辅助热源14的蓄热功能进一步完成差价电的移峰填谷功能。

进一步，不失一般性，可以将若干热源设备以一定的组合方式连接后接入K1、K2端，作为主热源11，同样可以将另外若干热源设备以一定的组合方式连接后接入K3、K4端，作为辅助热源加热14。

Claims (5)

1.一种双热源供热***冷热分隔式多组态控制方法，所述的双热源供热***包括主热源、辅助热源、蓄热水箱、泵、热需求侧设备，***中各组成部分之间通过管路相连，其特征在于，所述供热***通过在所述管路上设置控制阀使流经主、辅热源、蓄热水箱、泵、以及热需求侧设备的工质的流通路径均能够独立分开，以便能够组成以下各工作状态并在各组态之间转换，以实现在消除或减小对蓄热水箱产生的混流扰动的同时，提高主热源的利用效率，实现对辅助热源的移峰填谷：

1）使主热源、辅助热源、蓄热水箱能够分别单独对热需求侧设备进行供热；

2）使工质能够经主热源后再分别经辅助热源或蓄热水箱向热需求侧设备供热； 

3）使主热源、辅助热源能够分别单独对热需求侧设备和蓄热水箱同时进行供热；

4）使工质能够经主热源后再经辅助热源向热需求侧设备和蓄热水箱同时供热，并且供给热需求侧设备和蓄热水箱的热量比例可以调整；

5）蓄热水箱具有两个端口，其中一个端口通过阀门分别与所述泵的出、入口连接，任何组态下，确保高温工质只从蓄热水箱的一个端口进出，低温工质只从蓄热水箱的另一个端口进出。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述主热源串联在所述辅助热源的前端，为进入辅助热源加热的工质进行预热，以充分利用主热源在过渡状态产生的热量，所述过渡状态指的是主热源加热的工质温度高于经热需求侧设备放热后的工质温度，但低于热需求侧设备的设计供热温度。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法利用控制装置对所述管路上设置的所述控制阀进行控制，实现对所述供热***组态的自动转换及各组态下工作过程的智能化控制。

4.一种双热源供热***，包括主热源、辅助热源、蓄热水箱、泵、热需求侧设备，***中各组成部分之间通过管路相连；其特征在于，所述管路上设置有控制阀，使流经主、辅热源、蓄热水箱、泵、以及热需求侧设备的工质的流通路径均能够独立分开，以便能够组成以下各工作状态并在各组态之间转换：

1）使主热源、辅助热源、蓄热水箱能够分别单独对热需求侧设备进行供热；

2）使工质能够经主热源后再分别经辅助热源或蓄热水箱向热需求侧设备供热； 

3）使主热源、辅助热源能够分别单独对热需求侧设备和蓄热水箱同时进行供热；

4）使工质能够经主热源后再经辅助热源向热需求侧设备和蓄热水箱同时供热，并且供给热需求侧设备和蓄热水箱的热量比例可以调整；

5）蓄热水箱具有两个端口，其中一个端口通过阀门分别与所述泵的出、入口连接，任何组态下，确保高温工质只从蓄热水箱的一个端口进出，低温工质只从蓄热水箱的另一个端口进出。

5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述供热***还包括控制装置，通过该控制装置对所述管路上设置的所述控制阀进行控制，实现对所述供热***组态的自动转换及各组态下工作过程的智能化控制。