CN115451618A - 一种地源热泵的热量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种地源热泵的热量控制方法,首先,根据地源热泵装置工作时,防冻液流经地源热泵装置中的地下换热器U形管道时温度的变化构建地下换热器模型;其次基于封闭空间内热量的变化构建室内舒适温度模型,地源热泵装置通过控制封闭空间的热量实现将封闭空间的温度控制在舒适温度区间内。当封闭空间的温度不在舒适温度区间内时,地源热泵装置启动工作;当封闭空间的温度在舒适温度区间内时,地源热泵装置停止工作。这样间歇性的运行模式不仅能够有效的缓解城市或者工厂的用电压力,还能大大减少能源的消耗和空气污染物的排放。
Description
技术领域
本发明涉及地源热泵领域,更确切地说是一种地源热泵的热量控制方法。
背景技术
为应对愈来愈严重的气候问题,大力开发分布式可再生能源已成为未来电力***的发展方向,并且因为恶劣的国际形势等种种原因,能源问题目前十分突出。而消耗的能源中相当一部分用于空间供暖与制冷,在这方面传统的天然气供暖和电力空调应用广泛,但是它们耗能巨大,并且还会增加温室气体的排放。因此需要更加高效、环保的设备来对住宅以及商业用户进行供暖/制冷,地源热泵***的作用就突出了起来。因为地源热泵以地表以及地下土壤作为能源供给,而地下土壤温度基本全年保持恒定,在冬季高于环境温度,此时可以通过室内外高温差向室内供热;在夏季低于环境温度此时通过室内外高温差从室内散热,并且地源热泵***的能量转化效率非常高,远高于传统的供冷供热设备,所以消耗少量的电能便可达到较好的制冷或制热效果,从而可代替耗能较高的暖气管网、锅炉以及中央空调等等。除此之外,地源热泵***的排放物污染很低,若以此代替锅炉等供热设备将大量减少温室气体的排放。
地源热泵提高了能源使用效率,高效环保,拥有十分广阔的发展前景。但是,现有的工作只是粗略的介绍了地源热泵的运行性能及其在成本和温室气体排放方面的优势,并没有详细研究地源热泵***对室内温度的变化以及自身的工作原理,所以亟需研究一种考虑室内温度控制的地源热泵运行方法。
发明内容
本发明的目的在于:基于预设的室内舒适模型和地下换热器模型,通过对封闭空间内的热量进行控制,实现将封闭空间的温度控制在预设舒适温度区间内。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本方案提供一种地源热泵的热量控制方法,基于预设的室内舒适模型和地下换热器模型,按如下步骤S1至步骤S6,通过对封闭空间内的热量进行控制,实现将封闭空间的温度控制在预设舒适温度区间内,其中T其中为舒适温度区间下限值,为舒适温度区间上限值;包括以下步骤:
步骤S2-1:地源热泵装置启动制冷工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被降温,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制冷运行时输出的热量然后进入步骤S3;
步骤S2-2:地源热泵装置启动制热工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被加热,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制热运行时输出的热量然后进入步骤S3;
步骤S4:根据预设的室内舒适温度模型,基于地源热泵装置输入封闭空间的热量室内其他电器工作时增加的热量室内向外界传出热量的计算,根据封闭空间内热量的变化计算出该空间内温度的变化,并根据封闭空间内上一时刻的温度Tt-1,计算出封闭空间内的当前温度Tt,然后进入步骤S5;
步骤S5:将所述步骤S4计算出的封闭空间内的当前温度Tt与舒适温度区间上、下限值 T比较,若进入步骤S2-1,地源热泵装置对封闭空间进行制冷;若Tt<T,进入步骤S2-2,地源热泵装置对封闭空间进行制热;若则进入步骤S6;
步骤S6:封闭空间的温度在预设的舒适温度区间内,则地源热泵装置停止工作,隔一个预设时间间隔对该封闭空间内温度进行测量获得Tt,然后进入步骤S7;
式中:为地源热泵装置在制热运行时向封闭空间内输出的热量,为地源热泵装置在制冷运行时向封闭空间内输出的热量,Tt in为地下换热器U形管注入的防冻液温度;Tt out为地下换热器U形管流出的防冻液温度;cf为防冻液比热容;mf为防冻液的质量流速。
作为一种优选技术方案,所述地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out由所述地源热泵装置的地下换热过程来决定,将地下换热器U形管分为50段,用分别表示t时刻第j段地下换热器U形管内向下、向上流动液体的温度节点;分别表示t时刻第j段地下换热器U形管旁灌浆区域的温度节点;为t时刻第j段地下换热器U形管外大地温度节点;基于各温度节点间在同一段横截平面间的温度传递关系,以及在纵向的温度传递关系。则注入、流出U形管的防冻液温度可表示为:
U形管内温度传递的模型为:
式中:Δx为地下换热器每一段的高度;v为地下换热器中的防冻液流速;Δt为时间间隔;Hpf为防冻液热容;Rsx为防冻液之间的热阻、Rb为防冻液与灌浆区域之间的热阻;
式中:Rbb为灌浆区域间的热阻;Rg为灌浆区域与地底之间的热阻;Hpb为地下换热器灌浆区域热容;
式中:Hpg为地下热容;
上述模型中各节点初始温度值是设定值,运用该模型即可计算得出任意时刻地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out。
作为一种优选技术方案,所述室内舒适温度模型通过计算封闭空间内输入与输出的热量,从而计算得出此时段内封闭空间内温度的变化,封闭空间内的热量增加主要依赖的是地源热泵装置输入房屋的热量、白天太阳辐射以及封闭空间内其他电器使用时产生的热量,封闭空间内的热量减少则是通过窗户玻璃以及外墙向外散发热量,运用的公式如下:
其中,外墙温度的表达式为:
式中HpE为外墙的热容;
基于外墙的热容HpE、室外环境温度Tt e、太阳辐射入射系数σ、窗户玻璃表面传热系数UW、外墙传热系数UE、太阳辐射功率封闭空间自增热量的设定,外墙温度Tt E、的计算,可计算封闭空间内输入与输出的热量,从而计算得出此时段内封闭空间的当前温度:
式中Tt为封闭空间的温度;Hpr为封闭空间内热容。
本发明所述一种地源热泵的热量控制方法,采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明设计一种地源热泵的热量控制方法,并分析了室内热量变化的影响因素,基于此建立了考虑室内热量控制的地源热泵运行模型。该模型可有效的通过热量管理来使得各个用户的室内温度保持在舒适区间之中,地源热泵装置可通过对比室内温度与预设舒适温度区间上下限值来控制地源热泵装置继续工作或者停止工作。除此之外,用户还可以调整不同时段的舒适温度区间,达到在用电高峰时少用电、用电低谷时多用电的效果,不仅能节省用电成本,而且能够有效的缓解城市或者工厂的用电压力,同时还能大大减少能源的消耗和空气污染物的排放。本发明还详细研究了地源热泵地下***的换热过程,构建了室内舒适模型和地下换热器模型,有助于理解地源热泵的工作机制。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本发明中参照附图来描述本发明的各方面,附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解,本发明通过上面介绍的多种构思和实施例,以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现,这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本发明公开的一些方面可以单独使用,或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
如图1所示,本发明提供了一种地源热泵的热量控制方法,基于预设的室内舒适温度模型和地下换热器模型,求解模型得到最终结果实现过程为:
步骤S1.测量封闭空间内初始温度T0,将初始温度T0与预设舒适温度区间比较,若入步骤S2-1,地源热泵装置对封闭空间进行制冷;若T0<T,进入步骤S2-2,地源热泵装置对封闭空间进行制热;若则进入步骤S6;
步骤S2-1.地源热泵装置启动制冷工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被降温,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制冷运行时输出的热量然后进入步骤S3;
步骤S2-2.地源热泵装置启动制热工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被加热,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制热运行时输出的热量然后进入步骤S3;
式中:为地源热泵装置在制热运行时向封闭空间内输出的热量,为地源热泵装置在制冷运行时向封闭空间内输出的热量,Tt in为地下换热器U形管注入的防冻液温度;Tt out为地下换热器U形管流出的防冻液温度;cf为防冻液比热容;mf为防冻液的质量流速。
上述地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out由所述地源热泵装置的地下换热过程来决定,将地下换热器U形管分为50段,用分别表示t时刻第j段地下换热器U形管内向下、向上流动液体的温度节点;分别表示t时刻第j段地下换热器U形管旁灌浆区域的温度节点;为t时刻第j段地下换热器U形管外大地温度节点;基于各温度节点间在同一段横截平面间的温度传递关系,以及在纵向的温度传递关系。则注入、流出U形管的防冻液温度可表示为:
U形管内温度传递的模型为:
式中:Δx为地下换热器每一段的高度;v为地下换热器中的防冻液流速;Δt为时间间隔;Hpf为防冻液热容;Rsx为防冻液之间的热阻、Rb为防冻液与灌浆区域之间的热阻;
式中:Rbb为灌浆区域间的热阻;Rg为灌浆区域与地底之间的热阻;Hpb为地下换热器灌浆区域热容;
式中:Hpg为地下热容;
上述模型中各节点初始温度值是设定值,运用该模型即可计算得出任意时刻地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out。
步骤S4.根据预设的室内舒适温度模型,基于地源热泵装置输入封闭空间的热量室内其他电器工作时增加的热量室内向外界传出热量的计算,根据封闭空间内热量的变化计算出该空间内温度的变化,并根据封闭空间内上一时刻的温度Tt-1,计算出封闭空间内的当前温度Tt,然后进入步骤S5;
本实施例中,封闭空间内的热量增加主要依赖的是地源热泵装置输入房屋的热量、白天太阳辐射以及封闭空间内其他电器使用时产生的热量,运用的公式如下:
封闭空间内的热量减少则是通过窗户玻璃以及外墙向外散发热量,运用的公式如下:
其中,外墙温度的表达式为:
式中HpE为外墙的热容;
基于外墙的热容HpE、室外环境温度Tt e、太阳辐射入射系数σ、窗户玻璃表面传热系数UW、外墙传热系数UE、太阳辐射功率封闭空间自增热量的设定,外墙温度Tt E、的计算,可计算封闭空间内输入与输出的热量,从而计算得出此时段内封闭空间的当前温度:
式中Tt为封闭空间的温度;Hpr为封闭空间内热容。
步骤S5.将所述步骤S4计算出的封闭空间内的当前温度Tt与舒适温度区间上、下限值 T比较,若进入步骤S2-1,地源热泵装置对封闭空间进行制冷;若Tt<T,进入步骤S2-2,地源热泵装置对封闭空间进行制热;若则进入步骤S6;
步骤S6.封闭空间的温度在预设的舒适温度区间内,则地源热泵装置停止工作,隔一个预设时间间隔对该封闭空间内温度进行测量获得Tt,然后进入步骤S7;
本实施例中,地源热泵装置开启后,首先测量封闭区域的初始温度T0,将T0与预设舒适温度区间上、下限值 T比较,若地源热泵装置暂不启动,每隔一个预设时间间隔对该封闭空间内实际温度进行再次测量获得Tt,将Tt与预设舒适温度区间上、下限值 T比较,直到Tt超出预设舒适温度区间时,地源热泵装置启动工作,工作的同时运用地下换热器模型和室内舒适温度模型实时监控封闭空间的热量变化,通过封闭空间的热量变化实时计算封闭空间的实时温度,与预设舒适温度区间上、下限值 T比较,若实时温度不在舒适温度区间内,地源热泵装置持续工作,直到实时温度恢复到舒适温度区间内,地源热泵装置暂停工作,进入每隔一个预设时间间隔对该封闭空间内实际温度进行测量的循环过程。地源热泵装置通过这样的间歇性工作模式,不仅大大减少了用电量,还能缓解高峰期用电压力。
虽然本发明已以较佳实施例阐述如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种地源热泵的热量控制方法,其特征在于:基于预设的室内舒适模型和地下换热器模型,按如下步骤S1至步骤S6,通过对封闭空间内的热量进行控制,实现将封闭空间的温度控制在预设舒适温度区间内,其中T其中为舒适温度区间下限值,为舒适温度区间上限值;
步骤S2-1:地源热泵装置启动制冷工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被降温,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制冷运行时输出的热量然后进入步骤S3;
步骤S2-2:地源热泵装置启动制热工作,地源热泵装置中的防冻液流经所述地源热泵装置中的地下换热器U形管道时被加热,基于预设地下换热器模型计算出防冻液在所述地下换热器U形管中的温度变化,进而计算出地源热泵装置对封闭空间制热运行时输出的热量然后进入步骤S3;
步骤S4:根据预设的室内舒适温度模型,基于地源热泵装置输入封闭空间的热量室内其他电器工作时增加的热量室内向外界传出热量的计算,根据封闭空间内热量的变化计算出该空间内温度的变化,并根据封闭空间内上一时刻的温度Tt-1,计算出封闭空间内的当前温度Tt,然后进入步骤S5;
步骤S5:将所述步骤S4计算出的封闭空间内的当前温度Tt与舒适温度区间上、下限值 T比较,若进入步骤S2-1,地源热泵装置对封闭空间进行制冷;若Tt<T,进入步骤S2-2,地源热泵装置对封闭空间进行制热;若则进入步骤S6;
步骤S6:封闭空间的温度在预设的舒适温度区间内,则地源热泵装置停止工作,隔一个预设时间间隔对该封闭空间内温度进行测量获得Tt,然后进入步骤S7;
3.一种地源热泵的热量控制方法,其特征在于:所述地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out由所述地源热泵装置的地下换热过程来决定,将地下换热器U形管分为50段,用分别表示t时刻第j段地下换热器U形管内向下、向上流动液体的温度节点; 分别表示t时刻第j段地下换热器U形管旁灌浆区域的温度节点;为t时刻第j段地下换热器U形管外大地温度节点;基于各温度节点间在同一段横截平面间的温度传递关系,以及在纵向的温度传递关系。则注入、流出U形管的防冻液温度可表示为:
U形管内温度传递的模型为:
式中:Δx为地下换热器每一段的高度;v为地下换热器中的防冻液流速;Δt为时间间隔;Hpf为防冻液热容;Rsx为防冻液之间的热阻、Rb为防冻液与灌浆区域之间的热阻;
式中:Rbb为灌浆区域间的热阻;Rg为灌浆区域与地底之间的热阻;Hpb为地下换热器灌浆区域热容;
式中:Hpg为地下热容;
上述模型中各节点初始温度值是设定值,运用该模型即可计算得出任意时刻地下换热器U形管注入与流出的防冻液温度Tt in、Tt out。
5.一种地源热泵的热量控制方法,其特征在于:所述室内舒适温度模型通过计算封闭空间内输入与输出的热量,从而计算得出此时段内封闭空间内温度的变化,封闭空间内的热量增加主要依赖的是地源热泵装置输入房屋的热量、白天太阳辐射以及封闭空间内其他电器使用时产生的热量,封闭空间内的热量减少则是通过窗户玻璃以及外墙向外散发热量,运用的公式如下:
其中,外墙温度的表达式为:
式中HpE为外墙的热容;
基于外墙的热容HpE、室外环境温度Tt e、太阳辐射入射系数σ、窗户玻璃表面传热系数UW、外墙传热系数UE、太阳辐射功率封闭空间自增热量的设定,外墙温度Tt E、的计算,可计算封闭空间内输入与输出的热量,从而计算得出此时段内封闭空间的当前温度:
式中Tt为封闭空间的温度;Hpr为封闭空间内热容。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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