CN110397978B - 一种蓄能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄能装置，包括锅炉，所述蓄能装置还包括：储水容器；所述锅炉的出水口通过管路连接至所述储水容器的进水口；混水系统；所述混水系统包括进水端和出水端，所述出水端用于向外部系统输出热量，且所述出水端连接有第一温度检测装置；所述储水容器的出水口通过管路连接至所述混水系统的进水端；储水容器回水管路，所述储水容器回水管路自外部系统连接至所述储水容器，且在所述储水容器回水管路上连接有第一分支管路，所述第一分支管路通过第一控制阀连接至所述混水系统的进水端，将部分的回水输送至所述混水系统中从而与所述储水容器输出的热水混合。该装置能够在供热的温度过高，超出实际需要的温度时，对水温进行调节。

Description

一种蓄能装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉技术领域，特别是一种利用锅炉输出热水的蓄能装置及其控制方法。

背景技术

锅炉中产生的热水可以输出作为热源，应用到生活供暖和工业供热。锅炉输出的热水通常通过供热管道连接供热管网，在管网中流动实现与外部环境的热交换，然后外部环境通过回水管路将交换后的凉水回流到锅炉，重新进行加热，如此循环往复。

然而，有时候锅炉直接产生的热水温度过高，显著高于供暖或其他工业用途所需的温度。以供暖应用为例，有时锅炉输出的温度使得室内的温度远远超出了人体感觉舒适的程度，造成室内环境过热，这既使得热量过剩造成浪费，又没有达到供暖的预期效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄能装置及其控制方法，在利用锅炉输出的热水进行蓄能时，能够在供热的温度过高，超出实际需要的温度时，对水温进行调节。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种蓄能装置，包括锅炉，其特征在于，所述蓄能装置还包括：

储水容器；所述锅炉的出水口通过管路连接至所述储水容器的进水口；

混水系统；所述混水系统包括进水端和出水端，所述出水端用于向外部系统输出热量，且所述出水端连接有第一温度检测装置；所述储水容器的出水口通过管路连接至所述混水系统的进水端；

储水容器回水管路，所述储水容器回水管路自外部系统连接至所述储水容器，且在所述储水容器回水管路上连接有第一分支管路，所述第一分支管路通过第一控制阀连接至所述混水系统的进水端，将部分的回水输送至所述混水系统中从而与所述储水容器输出的热水混合。

进一步地，所述储水容器回水管路上设置有回水阻断系统，用于阻断储水容器的回水，且回水阻断位置位于所述储水容器回水管路上被所述第一分支管路分流所形成分支点的下游侧。

进一步地，所述回水阻断系统包括：

第二控制阀；所述第二控制阀位于所述回水阻断位置，可以阻断向所述储水容器的回水，从而使全部回水回流到所述混水系统。

第二温度检测装置；所述第二温度检测装置连接在所述第二控制阀和所述分支点之间的储水容器回水管路上。

进一步地，所述第二控制阀为分流三通阀，该分流三通阀的入口位于所述储水容器回水管路的上游侧，一个出口位于所述储水容器回水管路的下游侧，另一个出口通过管路连接至所述混水系统的进水端，通过切换第二控制阀的出口，可以控制回水回流至所述储水容器，或阻断回水，将回水输送至所述混水系统。

进一步地，所述混水系统包括：用于混流的混水管路，该混水管路上构造有进水端和出水端，所述进水端连接所述储水容器的出水口和所述第一分支管路的下游侧，所述混水管路上还具有水泵，用于将混合后的水泵送至外部系统。

进一步地，在所述锅炉的出水口的管路上构造有分支点，该分支点通过管路连接至所述储水容器出水口的管路，且该分支点下游侧分出的两段管路上均设有阀门。

进一步地，在所述储水容器上还连接有通向所述锅炉进水口的锅炉回水管路，在锅炉回水管路上构造有分支点，该分支点通过管路连接至所述储水容器回水管路，且该分支点上游侧分出的两段管路上均设有阀门。

进一步地，所述储水容器还连接补充热系统，所述补充热系统为太阳能供热系统或空气能供热系统，从而将来自太阳能供热系统或空气能供热系统的热量输送入所述储水容器中。

进一步地，所述补充热系统为太阳能系统，所述太阳能系统的输出端通过管路通向所述储水容器内部并连接有布水器。

进一步地，所述储水容器内设有相变蓄能单元，用于储存来自所述储水容器外部输送的热量并在需要供热时释放热量。

第二方面，本发明实施例还提供一种上述蓄能装置的控制方法，包括：

接收第一温度检测装置检测的出水温度信号；

当检测到出水温度超过预设的目标温度时，控制第一控制阀打开，使得部分回水进入所述混水系统；

当检测到出水温度降至所述目标温度或以下时，控制第一控制阀关闭。

进一步地，所述储水容器回水管路上设置有回水阻断系统，用于阻断储水容器的回水，且回水阻断位置位于所述储水容器回水管路上被所述第一分支管路分流所形成分支点的下游侧，所述方法还包括：

当全部开启第一控制阀，而输出的水温仍然无法达到所述目标温度以下时，开启所述回水阻断系统。

进一步地，所述储水容器还连接太阳能供热系统和蓄热变频泵，所述方法还包括：蓄热变频泵按照太阳能和储水容器两个采温点温差进行PID调节。

进一步地，所述储水容器内设有相变蓄能单元，用于储存来自所述储水容器外部输送的热量并在需要供热时释放热量；所述方法还包括：在高温季节相变蓄能单元通过材料的相变储热，在低温季节相变蓄能单元通过材料的相变放热；所述储能包括利用空气能和电锅炉谷电储能。

进一步地，所述蓄能装置还包括室内温度监测装置和/或室外温度监测装置，所述控制方法还包括：

根据室内温度监测装置和/或室外温度监测装置监测的温度信号调整所述蓄能装置的目标输出温度。

根据本发明实施例提供的技术方案，在储水容器回水管路上设置一个可控制通断的第一分支管路，当储水容器中蓄能的水输出温度过高时，可以将第一分支管路打开，将部分回水输送到混水系统中与直接输出的热水混合，起到降低输出温度的作用，从而将输出水温降低到合适的水平。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的蓄能装置的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的蓄能装置的结构示意图。

图中：

110-锅炉； 111-锅炉出水口； 112-锅炉回水口；

120-储水容器； 121-储水容器进水口； 122-储水容器出水口；

123-储水容器回水口； 130-混水系统； 131-进水端；

132-出水端； 133-混水管路； 134-水泵；

140-回水阻断系统； 141-第二控制阀； 150-补充热系统；

151-太阳能供热系统； 201-第一管路； 202-第二管路；

203-第三管路； 204-第一分支管路； 205-第一控制阀；

206-第二分支管路； 207-第一分支点； 208-第三分支管路；

209-第四分支管路； 301-储水容器回水管路； 302-第一分流点；

303-第二分流点； 401-第一温度检测装置； 402-第二温度检测装置；

501-第一阀门； 502-第二阀门； 503-第三阀门；

504-第四阀门； 505-第五阀门； 506-第六阀门；

601-锅炉回水管路； 602-第二分支点； 701-布水器；

702-太阳能回水管路

801-相变蓄能单元

具体实施方式

下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本本发明的范围。

请参考图1，本发明实施例提供的蓄能装置，包括锅炉110，储水容器120混水系统130及相关的管路、阀门等部件。其中，锅炉110具有锅炉出水口111以及锅炉回水口112。锅炉110自锅炉出水口111输出的热水先输送至储水容器，再经过混水系统130输出到外部系统，如供热管网等。自外部系统返回的回水，再次经过储水容器120，输送到锅炉回水口112，将回水送回锅炉110。

储水容器用于储存来自锅炉的热水，接收从外部系统回流的凉水，起到贮存与中转的作用。储水容器的构造可以采用多种形式，例如图1所示的箱体形状。

在一些实施例中，锅炉出水口111连接第一管路201，第一管路201的末端连接到储水容器120的储水容器进水口121，例如，可以连接到储水容器120的上端。在储水容器120上还开设有储水容器出水口122，例如可以和储水容器进水口121呈间隔地设置在同一高度。储水容器出水口122连接第二管路202，第二管路202的末端连接至混水系统的进水端131，再经过连接在混水系统的出水端132的第三管路203输出到外部系统。在第三管路203上可以设置第一温度检测装置401，如温度传感器组件，用于实时监测输出热水的温度。

外部系统在回水时，首先连接储水容器回水管路301，储水容器回水管路301的下游侧连接至储水容器120上的储水容器回水口123。储水容器回水管路301的上游侧可以高于下游侧，这样回水可以在重力势能下自动回流。在储水容器回水管路301上构造有一个第一分流点302，第一分流点302上连接第一分支管路204，第一分支管路204的下游侧连接到混水系统130的进水端131。

在第一分支管路204上还安装有第一控制阀205(可以为电动二通阀)，第一控制阀205能够控制第一分支管路204的导通和阻断。当第一温度检测装置401检测到输出的水温过高时，第一控制阀205打开第一分支管路204，此时从储水容器回水管路301回流的水在第一分流点302处分流，一部分沿着储水容器回水管路301继续回流至储水容器120中，另一部分沿着第一分支管路204流入混水系统130。而在混水系统130中，一方面接收了来自锅炉110输出的热水，另一方面接收了来自第一分支管路204的回水，又由于回水的温度比较低，使得回水与热水混合勾兑后，整体的水温得到降低，从而降低了输出水的温度。直到降低到预期的输出水温后，蓄能装置不需要引入回水来降低温度，第一控制阀205关闭。

在一些实施例中，第一控制阀205的在通断之间的切换频次可能会较高。当第一温度检测装置401检测到输出水的温度稍高过预期的水温时，则第一控制阀205立刻打开，输送回水，降低输出水的温度。因为此时输出的水温和预期的水温相差很小，回水可以将整体的输出水温迅速降低到预期水平，此时为了避免水温继续降低到预期水平之下，第一控制阀205立刻关闭。而在较短的时间间隔后，输出水温又会达到稍高过预期水温的水平，此时再次控制第一控制阀205开启，如此循环往复，可以将输出的水温始终保持在相对恒定的状态，这种恒定状态来自于第一控制阀205频次较高地实时调节。

有时，尽管第一控制阀205保持常开的状态，输出的水温仍然不能降低至预期的水平。发明人经过研究发现，这是由于锅炉输出的水温过高，而从第一分流点302分流出来的回水仅为全部回水的一部分，使得降温效果不够明显。为此，在储水容器回水管路301上位于第一分流点302的下游侧在设置第二分流点303，第二分流点303处设置有回水阻断系统140，用于控制阻断全部的回水。

回水阻断系统140可以采用多种形式，如果具有各种类型通路的阀门、阀块、阀门和管路的组合等。例如，在图1所示的实施例中，回水阻断系统140包括一个第二控制阀141，该第二控制阀141为分流三通阀，具有一个入口和两个出口，通过第二控制阀141的通断控制，可以使得其中一个出口打开，而另一个出口关闭。第二控制阀的141的入口位于上游侧，下游侧的一个出口沿着储水容器回水管路301通向储水容器120，另一个出口连接第二分支管路206，第二分支管路206的下游侧连接至混水系统的进水端131。此外，在第二分流点303和第一分流点302之间的管路上还设置有第二温度检测装置402，该第二温度检测装置402用于检测回水的温度。

在回水阻断系统140中设置第二温度检测装置402，即可以从回水的温度来判断第一分支管路204分流的回水是否足够将输出的水温降低到预期的水平。这是因为，锅炉110输出的热水温度很高，如果第二检测装置402检测到的回水水温如果已经逼近了第一控制阀205开关的阈值温度(即预期输出的水温)，说明分流的回水水温已经不足以将锅炉110输出的高温热水显著降低。

当第一温度检测装置401检测到输出的水温过高，即高于预期输出的温度t₁，而第二温度检测装置402检测到回水的温度也高于预定的回水温度值t₂时，则控制第二控制阀141封闭通向储水容器120的出口，打开通向第二分支管路206的出口。此时全部的回水被阻断，不再回流到储水容器120，而是经第一分支管路204和第二分支管路206全部输送到混水系统中。这样，全部的回水均用于降低输出水温，能够使得输出水温得到进一步降低。

根据本实施例，在设置温度阈值t₁和t₂时，可以将t₂的温度略小于t₁的温度。如果第二温度检测装置402检测到回水温度高于t₂，说明此时回水温度较高，如果回水继续进入储水容器120，会在本就具有很高温度的储水容器120内进一步加热，进而进入到锅炉110内进行循环，这样就更不利于输出水温的降低，因此应当控制第二控制阀141关闭向储水容器120的回水，打开向第二分支管路206的出口，此时回收的全部回水不再进入到储水容器120和锅炉110中进行加热，而是直接进入混水系统对锅炉110输出的水温进行降低，直到输出的温度降低到t₁，且回水温度降低至t₂以下，控制第二控制阀141关闭开向第二分支管路206的出口，开启向储水容器120的出口，重新进行回水。

阈值温度t₁和t₂的设置可以根据季节变化或其他供热需求灵活地调整，例如，当输出的热水作为采暖供热时，可以在天气稍微寒冷初冬时将t₁设置为35℃，t₂设置为32℃，在天气极为寒冷深冬时将t₁设置为40℃，t₂设置为38℃。

在一些实施例中，混水系统130包括用于混流的混水管路133，该混水管路133上构造有进水端131和出水端132，进水端131连接储水容器出水口122和第一分支管路204的下游侧，混水管路133上还具有水泵134，用于将混合后的水泵送至外部系统。其中，进水端131的数量可以有多个，取决于混水系统130上游侧所需要连接的管路数量。水泵134的数量也可以设置多个，用于增加泵送效率。在其他一些实施例中，也可以采用水箱等容器代替混水管路133。

在一些实施例中，锅炉的出水口的管路，即第一管路201上构造有第一分支点207，该第一分支点207通过第三分支管路208连接至储水容器出水口的第二管路202，且该第一分支点207下游侧分出两段管路，一段连接储水容器120，其上设有第一阀门501，另一段为第三分支管路208，其上设有第二阀门502。当急需热水输出时，可以将第一阀门501关闭，第二阀门502打开，锅炉110输出的热水不经过储水容器120直接输出，可以及时满足供热需求。进一步地，还可以在第二管路202位于第三分支管路208与其连接点的下游侧设置第三阀门503，用于对储水容器120输出的热水进行控制。

储水容器120上还可以连接有通向锅炉进水口122的锅炉回水管路601，在锅炉回水管路601上构造有第二分支点602，该第二分支点602通过第四分支管路209连接至储水容器回水管路301，该第二分支点602上游侧分出的两段管路，一段连接储水容器120，其上设有第四阀门504，另一段为第四分支管路209，其上设有上第五阀门505，进一步地，在储水容器回水管路301与第四分支管路209连接点的下游侧还设有第六阀门506。当需要快速回水进入锅炉110再加热时，可以关闭第六阀门506和第四阀门504，打开第五阀门505，此时回水不经过储水容器120，直接进入锅炉110。

图2示出了另一个实施例中蓄能装置的结构示意图，该实施例与图1的区别在于，储水容器120还连接补充热系统150，补充热系统可以是太阳能供热系统151或空气能供热系统(图中未示出)，从而将来自太阳能供热系统151或空气能供热系统的热量输送入储水容器120中。

在一些实施例中，太阳能系统151的输出端通过管路通向储水容器120的内部，并在管路的末端连接有布水器701。布水器701上可以具有多个出水口，用于向储水容器120内均匀补水，使得热量分散均匀。储水容器120底部还连接太阳能回水管路702。

进一步地，储水容器120中还具有相变蓄能单元801。相变蓄能单元包括一个或多个蓄能罐，蓄能罐内具有相变蓄能材料。如固-液相变蓄能材料、固-固相变蓄能材料，这种材料在相关技术中是已知的，主要包括高分子类、层状钙钛矿、硫酸钠类、醋酸钠类、脂肪酸类、多元醇和石蜡。在高温季节，相变蓄能单元能够吸收来自外部供给的热量(如空气能及电锅炉谷电储能)，相变材料由固态变成液态，吸收大量的热，将热量储存起来。在低温季节，相变材料由液态转变为固态，释放大量的热，用于供热。

本发明实施例还提供了上述蓄能装置的控制方法，该方法包括如下步骤：

S102：接收第一温度检测装置检测的出水温度信号；

S104：当检测到出水温度超过预设的目标温度t1时，控制第一控制阀打开，使得部分回水进入所述混水系统；

S106：当检测到出水温度降至目标温度t1或以下时，控制第一控制阀关闭。

如此循环步骤S104-步骤S106，可以对输出水温进行实时调节，使其始终维持在预设的温度。

在一些实施例中，方法还包括：

S108：接收第二温度检测装置检测的回水温度信号；

S110：当检测到的回水温度高于预设的目标温度t2时，控制回水阻断系统处于阻断全部回水，将全部回水输出给混水系统的工作状态。

S111：当检测到的回水温度低于预设的目标温度t2时，控制回水阻断系统处于导通回水至储水容器的工作状态。

其中，目标温度t2小于目标温度t1。

通过步骤S108-S111，可以在步骤S104输送的回水不足以将水温降至目标温度t1时，阻断全部的回水并用于混水降温。

在一些实施例中，还可以在蓄能装置的室内和室外分别设置室内温度传感器和室外温度传感器，当室内温度传感器和室外温度传感器检测到温度到达一定的阈值时，可以由控制单元调整蓄能装置输出的目标水温。例如，当室内或室外温度过高时，可以适当降低输出水温。

在一些实施例中，第一温度检测装置和第二温度检测装置可以分别连接第一控制阀和第二控制阀中控制器的通讯接口，也可以统一设置一个中央控制系统，使得第一温度检测装置、第二温度检测装置、第一控制阀、第二控制阀均分别连接到中央控制系统的通讯接口。

与该控制方法配套的硬件可以包括配电箱一台，变频器一台，PLC一套，触摸屏一套，水泵强电元件三套，温度传感器多只(如4-6只)，工时线材附件一项。

下面介绍一个更为的具体的控制流程。

第一控制阀为电动二通调节阀，其按照采暖系统出水温度调节开启角度。如出水温度目标值设定为50度，则控制器(PLC)不间断向电动调节阀输出4-20毫安信号，已达到稳定出水温度50度的目标。当水温持续超过50度以上，即电动二通调节阀开到最高限。即当水温低于50度时电动调节阀到最低限即关闭。高于50度时开始工作，不间断工作以达到稳定出水温度50度的目标努力，当温度1持续高于50+5度以上时常开到最大。同时回水阻断系统开始启动。

电动二通调节阀开到最高限时回水温度还高50度时，第二控制阀(具体为电动三通开关阀)按照回水温度传感器动作45度开始工作。当回水温度高于45度±2度三通阀动作开启使水回系统循环，当回水温度低于45度±2度三通阀动作开启导向储水容器(水箱)。

蓄热变频泵按照太阳能和蓄热水箱两个采温点温差进行PID调节。如温差设定为5度，当太阳能水温达到70度，蓄热水箱水温67度，PLC监测温差大于5度过半则令变频器加速，反之减速。蓄能系统加装一个定时器，以实现蓄能器在白天工作，晚上休息。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蓄能装置，包括锅炉，其特征在于，所述蓄能装置还包括：

储水容器；所述锅炉的出水口通过管路连接至所述储水容器的进水口；

混水系统；所述混水系统包括进水端和出水端，所述出水端用于向外部系统输出热量，且所述出水端连接有第一温度检测装置；所述储水容器的出水口通过管路连接至所述混水系统的进水端；

储水容器回水管路，所述储水容器回水管路自外部系统连接至所述储水容器，且在所述储水容器回水管路上连接有第一分支管路，所述第一分支管路通过第一控制阀连接至所述混水系统的进水端，将部分的回水输送至所述混水系统中从而与所述储水容器输出的热水混合；

所述储水容器回水管路上设置有回水阻断系统，用于阻断储水容器的回水，且回水阻断位置位于所述储水容器回水管路上被所述第一分支管路分流所形成分支点的下游侧；

所述回水阻断系统包括：

第二控制阀；所述第二控制阀位于所述回水阻断位置，阻断向所述储水容器的回水，从而使全部回水回流到所述混水系统；

第二温度检测装置；所述第二温度检测装置连接在所述第二控制阀和所述分支点之间的储水容器回水管路上；第二温度检测装置检测到回水的温度高于预定的回水温度值时，则控制第二控制阀封闭通向储水容器的出口，打开通向混水系统的出口；

所述第二控制阀为分流三通阀，该分流三通阀的入口位于所述储水容器回水管路的上游侧，一个出口位于所述储水容器回水管路的下游侧，另一个出口通过管路连接至所述混水系统的进水端，通过切换第二控制阀的出口，控制回水回流至所述储水容器，或阻断回水，将回水输送至所述混水系统；

在所述储水容器上还连接有通向所述锅炉进水口的锅炉回水管路，在锅炉回水管路上构造有分支点，该分支点通过管路连接至所述储水容器回水管路，且该分支点上游侧分出的两段管路上均设有阀门；

所述储水容器还连接补充热系统，所述补充热系统为太阳能供热系统或空气能供热系统，从而将来自太阳能供热系统或空气能供热系统的热量输送入所述储水容器中。

2.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，所述混水系统包括：用于混流的混水管路，该混水管路上构造有进水端和出水端，所述进水端连接所述储水容器的出水口和所述第一分支管路的下游侧，所述混水管路上还具有水泵，用于将混合后的水泵送至外部系统。

3.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，在所述锅炉的出水口的管路上构造有分支点，该分支点通过管路连接至所述储水容器出水口的管路，且该分支点下游侧分出的两段管路上均设有阀门。

4.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，所述补充热系统为太阳能系统，所述太阳能系统的输出端通过管路通向所述储水容器内部并连接有布水器。

5.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，所述储水容器内设有相变蓄能单元，用于储存来自所述储水容器外部输送的热量并在需要供热时释放热量。

6.一种权利要求1所述蓄能装置的控制方法，其特征在于，包括：

接收第一温度检测装置检测的出水温度信号；

当检测到出水温度超过预设的目标温度时，控制第一控制阀打开，使得部分回水进入所述混水系统；

当检测到出水温度降至所述目标温度或以下时，控制第一控制阀关闭；

所述储水容器回水管路上设置有回水阻断系统，用于阻断储水容器的回水，且回水阻断位置位于所述储水容器回水管路上被所述第一分支管路分流所形成分支点的下游侧，所述方法还包括：

当全部开启第一控制阀，而输出的水温仍然无法达到所述目标温度以下时，开启所述回水阻断系统。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述储水容器还连接太阳能供热系统和蓄热变频泵，所述方法还包括：蓄热变频泵按照太阳能和储水容器两个采温点温差进行PID调节。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述储水容器内设有相变蓄能单元，用于储存来自所述储水容器外部输送的热量并在需要供热时释放热量；所述方法还包括：在高温季节相变蓄能单元通过材料的相变储热，在低温季节相变蓄能单元通过材料的相变放热；所述相变蓄能单元储热包括利用空气能和电锅炉谷电储能。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述蓄能装置还包括室内温度监测装置和/或室外温度监测装置，所述控制方法还包括：

根据室内温度监测装置和/或室外温度监测装置监测的温度信号调整所述蓄能装置的目标输出温度。