太阳能热泵复合热水系统节能优化控制研究与应用

摘要

太阳能是绿色能源中取之不尽、用之不竭、广泛存在的天然资源，若合理应用，能够产生显著的节能环保效益。只要日照充足，太阳能热水系统的运行成本仅限于维持控制器、水泵运行的少量电费，但太阳能利用易受气候环境的影响，主要体现在能流密度低、资源的分散性大以及阴晴云雨无法运行等。热泵可以通过消耗少量电能，将空气和土壤中的低温热能传递给高温热源，对环境条件要求较低，能为水箱热水补充热量，保证稳定的供水温度。将太阳能和热泵集成于供热系统中，两者可以取长补短，充分发挥节能环保的优势。在满足用户需求的情况下，如何实现对两者的有效控制，达到系统节能最大化是现今研究的难点。
　　研究旨在设计太阳能热泵复合热水系统的新型控制器及可行的节能控制策略。将搭建的太阳能热泵复合双水箱热水系统作为测试平台，建立以系统总费用最低为目标的优化控制模型，包括控制模型中的目标函数和控制流程。通过对优化控制模型的分析，得到一种节能优化控制策略。研制了可扩展性强、功能全的控制器。详细分析了控制器的工作原理及控制功能，利用组态界面绘画与模块化的设计思想完成控制器主界面和功能窗口、实时数据显示与存储、故障报警与处理、远程监控及配置和开关量输出锁定等功能设计。
　　在研究太阳能热泵复合热水系统及控制需求的基础上，分别对热水工程中的水泵、阀门及各个控制策略单元进行边界条件测试。通过调节电阻输入，模拟各温度及液位值，观察控制器中各个水泵与阀门的运行情况，对测试结果进行分析。
　　在搭建的标准双水箱热水系统上，对太阳能热泵复合热水系统进行运行测试，测试了普通太阳能热水控制器与采用优化控制策略的控制器的热水系统的节能控制性能。结果表明：采用节能控制策略的控制器，可以显著提高太阳能的利用率。通过数据的定量分析，研究了太阳能热泵复合热水系统的节能经济性和环保性。

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第1章 绪论

1.1 太阳能热水系统的研究前景

1.2太阳能热泵复合热水系统技术

1.3空气源热泵在太阳能热水系统中的不同实现及应用

1.4复合热水系统控制器国内外研究现状与发展趋势

1.5 本文研究的主要内容

第2章 太阳能热泵复合热水系统设计

2.1 太阳能热泵复合热水系统工作原理

2.2 工程概况

2.3 太阳能热泵复合热水系统设计流程

2.4 本章小结

第3章 太阳能热泵复合热水系统控制策略分析

3.1 引言

3.2 系统控制需求介绍

3.3系统自定义控制策略分析

3.4 默认控制策略分析

3.5 应用现状与特点

3.6 系统节能控制策略分析

3.7 本章小结

第4章 太阳能热泵复合热水系统控制器研制

4.1 控制器结构设计

4.2 控制器工作原理

4.3 MODBUS串口通信

4.4 控制器主要设计特点

4.5 控制器功能的边界条件测试

4.6 本章小结

第5章 太阳能热泵复合热水系统应用测试研究

5.1 系统应用测试概况

5.2 系统试验测试软件

5.3 系统测试安排

5.4 不同控制器下系统测试结果及分析

5.5太阳能热泵复合热水系统的经济性分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献

附录