一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统与方法技术方案

本发明专利技术提供一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统与方法，涉及供暖技术领域。系统包括太阳能集热单元、蓄热单元、电锅炉单元、用户管网单元和系统控制单元，采用BP神经网络优化PID控制参数，并采用粒子群算法对其进行优化，控制单元将最优PID控制参数转变为控制第四电磁阀开度的信号，根据实际温度与设定稳定温度值的偏差，来调节第四电磁阀的阀门开度，从而实现调节室内温度的效果。本发明专利技术的系统结构紧凑合理，能在整个供暖期内形成能源互补，实现相对稳定的联合供暖，采用PSO‑BP神经网络的控制方法得到最优PID控制参数，既能充分利用低谷电能，提高电网负荷率，又能弥补太阳能供暖系统单独使用时的缺点，有效保证供暖质量。

System and method for combined heating of electric heat storage boiler and solar energy

The invention provides a system and a method for combined heating of electric heat storage boiler and solar energy. The system comprises a solar heat collecting unit, storage unit, electric boiler unit, user network unit and system control unit, using PID control parameters optimization of BP neural network, and using particle swarm algorithm to optimize the control unit, the optimal control parameters of PID to control fourth solenoid valve opening signal, according to the actual temperature and the set stable temperature deviation, to adjust the fourth solenoid valve of the valve opening, so as to achieve the effect of regulating indoor temperature. The system structure of the invention has the advantages of reasonable and compact energy complementary in the heating period, the combined heating is relatively stable, the control method of PSO BP neural network to get the optimal parameters of PID controller, which can make full use of low power, enhancing the load rate of the power grid, and make up the solar heating system when used alone the disadvantages ensure the heating quality.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及供暖
，尤其涉及一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统与方法。
技术介绍
：当前，雾霾已成为城市污染的普遍现象，北方城市冬季供暖以燃煤为主，清洁供暖比例低，其中燃煤供暖是最主要的污染源。在城市集中供暖等领域，利用太阳能供暖，能减少污染物排放，但太阳能易受季节、气候、地点等因素的影响，供暖效率低，具有不稳定性，使得太阳能供暖系统具有很大的局限性。而一般的电热锅炉对环境无排放无污染，但昼夜都用电加热供暖，会导致费用支出增加，还会在供电高峰时段出现设备电力无法供应的情况。基于此，将太阳能等新能源结合电蓄热锅炉进行供暖的研究是很有必要的。要使供暖用户侧的温度达到稳定，必须对太阳能电蓄热锅炉联合采暖系统的温度进行控制。当前供暖系统温度控制方法常采用简单PID控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等，由于温度控制具有大惯性、纯滞后的特点，而上述控制方法考虑影响因素单一，对联合供暖系统的控制效果不理想。
技术实现思路
：针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统与方法，系统结构紧凑合理，能在整个供暖期内形成能源互补，实现相对稳定的联合供暖，考虑多种温度影响因素，采用BP神经网络优化PID控制器控制参数，并采用粒子群算法(ParticleSwarmOptimization，缩写为PSO)对其进行优化改进，既能充分利用低谷电能，提高电网负荷率，又能弥补太阳能供暖系统单独使用时，在夜间或连续阴雨天供暖不足的缺点，实现太阳能的高效利用，有效保证供暖质量。一方面，本专利技术提供一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统，包括太阳能集热单元、蓄热单元、电锅炉单元、用户管网单元和系统控制单元；太阳能集热单元和电锅炉单元用于为系统提供暖源，是系统能源供应部分，均与蓄热单元相连；蓄热单元用于储存热水，是系统能源储存部分，与用户管网单元相连；用户管网单元作为系统循环的通道及供暖末端；系统控制单元用于控制各单元，保证系统的自动运行；太阳能集热单元，包括太阳能集热器、换热器、第一温度传感器、第一循环水泵和第一电磁阀；太阳能集热器用于在太阳光照射下不断加热其中的水，太阳能集热器的进水口连接冷水管；换热器用于与太阳能集热器进行热交换；第一温度传感器设于太阳能集热器的出水口内，用于检测太阳能集热器出水口处的水温；第一循环水泵和第一电磁阀依次连接于太阳能集热器的出水口末端，用于打开太阳能集热器的出水口，将太阳能集热器中的热水通过用户管网单元抽取至换热器；电锅炉单元，包括电蓄热锅炉、第二温度传感器、第二循环水泵、第二电磁阀和电网投切装置；电蓄热锅炉用于正常情况下的夜间低谷用电时段运行和极端气候天气时的非低谷用电时段运行，加热其中的水，电蓄热锅炉的进水口连接冷水管；第二温度传感器设于电蓄热锅炉的出水口内，用于检测电蓄热锅炉出水口处的水温；第二循环水泵和第二电磁阀依次连接于电蓄热锅炉的出水口末端，用于打开电蓄热锅炉的出水口，将电蓄热锅炉中的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；电网投切装置连接电网电源，为电蓄热锅炉的运行供电；蓄热单元，包含蓄热水箱、第三循环水泵、第三电磁阀、第四循环水泵和第四电磁阀；蓄热水箱包括保温层、内底部的液位传感器和出水口内的第三温度传感器，液位传感器用于检测蓄热水箱内部的水位，第三温度传感器用于检测蓄热水箱出水口处的水温；第三循环水泵和第三电磁阀依次连接于蓄热水箱的进水口上端，用于将换热器的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；第四循环水泵和第四电磁阀依次连接于蓄热水箱的出水口末端，用于打开蓄热水箱的出水口，将蓄热水箱的热水抽取至用户供暖末端，进行供暖；用户管网单元，包括循环管道、地暖盘管、集水器和分水器；循环管道用于系统中各单元之间水路的连通；地暖盘管为供暖末端，用于为用户供暖；集水器设于地暖盘管的进水口，通过循环管道与蓄热单元连接；分水器设于地暖盘管的出水口，通过循环管道与太阳能集热器和电蓄热锅炉的进水口连接；系统控制单元，包括室内温度传感器、中央控制器及其外围控制电路，室内温度传感器用于采集用户室内的温度，中央控制器用于接收各温度传感器和液位传感器的信号，经过分析处理后发出控制信号，通过外围控制电路控制各电磁阀的开度、各循环水泵的运行和电网投切装置的运行。进一步地，循环管道采用铜管；地暖盘管采用回旋设置的盘折式水管；中央控制器为单片机。另一方面，本专利技术还提供一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的方法，采用上述的电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统实现，具体步骤如下：步骤1、初始化系统各项设置，包括设定各温度传感器的温度值、设定液位传感器的压力值、设定用户室内的温度稳定值、初始化BP神经网络的拓扑结构和初始化粒子群参数；设定BP神经网络采用三层结构，其中输入层设定为3个神经元，分别表示输入、输出以及误差；步骤2、对室内温度进行实时采集，获取室内温度传感器的实际温度rin(k)、用户设定的室内温度稳定值yout(k)以及实际温度与设定稳定温度值的偏差e(k)，e(k)＝yout(k)-rin(k)；步骤3、将rin(k)、yout(k)、e(k)作为输入信号输入BP神经网络的输入层，计算输出层的PID控制参数；步骤4、基于粒子群算法获取BP神经网络权值，具体步骤如下：步骤4.1、PSO算法中粒子维数设定为二维，即：设定第i个粒子的位置表示为xi＝(xi1，xi2)，其中，xi1和xi2分别表示第i个粒子在二维空间的位置分量；设定对应的粒子速度表示为vi＝(vi1，vi2)，其中vi1和vi2分别表示第i个粒子在二维空间的速度分量；第i个粒子搜索到的最优历史位置为pi＝(pi1，pi2)，即个体极值，其中，pi1和pi2分别表示第i个粒子在二维空间的最优历史位置分量；设定整个粒子群搜索到的最优位置为pg＝(pg1，pg2)，即全局极值，其中，pg1和pg2分别表示整个粒子群得到的在二维空间的最优位置分量；步骤4.2、更新粒子的位置和速度，采用如下公式进行更新：vim(k+1)＝vim(k)+c1r1(pim(k)-xim(k))+c2r2(pgm(k)-xim(k))xim(k+1)＝xim(k)+vim(k+1)其中，m＝1，2；xim(k)表示第i个粒子在第k次迭代中的第m维的位置；vim(k)表示第i个粒子在第k次迭代中的第m维的速度；c1为粒子跟踪自己最优位置pi＝(pi1，pi2)的权重系数、c2为粒子跟踪粒子群群体最优位置pg＝(pg1，pg2)的权重系数；r1、r2为随机数；步骤4.3、按照下式计算每个粒子的适应度值，Δei＝yout(i)-rin(i)依据步骤4.2中公式，取适应度值小的粒子极值更新个体极值pi＝(pi1，pi2)，取整个粒子群中适应度值最小的极值更新全局极值pg＝(pg1，pg2)，当前全局极值pg＝(pg1，pg2)即是当前整个粒子群寻找到的BP神经网络最优权值；步骤4.4、定义设定误差函数为：判断全局极值是否小于设定误差ek，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤4.5；步骤4.5、判断迭代次数是否等于最大迭代次数，若是，则执行步骤5，否则，则迭代次数加1，并返回步骤4；步骤5、输出全局最优权值pg，并将全局最优权值pg送入BP神经网络，输出最优PID控制参数；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统，其特征在于，该系统包括太阳能集热单元、蓄热单元、电锅炉单元、用户管网单元和系统控制单元(20)；所述太阳能集热单元和电锅炉单元用于为系统提供暖源，是系统能源供应部分，均与所述蓄热单元相连；所述蓄热单元用于储存热水，是系统能源储存部分，与所述用户管网单元相连；所述用户管网单元作为系统循环的通道及供暖末端；系统控制单元(20)用于控制各单元，保证系统的自动运行；所述太阳能集热单元，包括太阳能集热器(1)、换热器(2)、第一温度传感器(3)、第一循环水泵(4)和第一电磁阀(5)；所述太阳能集热器(1)用于在太阳光照射下不断加热其中的水，太阳能集热器(1)的进水口连接冷水管；所述换热器(2)用于与太阳能集热器(1)进行热交换；所述第一温度传感器(3)设于太阳能集热器(1)的出水口内，用于检测太阳能集热器(1)出水口处的水温；所述第一循环水泵(4)和第一电磁阀(5)依次连接于所述太阳能集热器(1)的出水口末端，用于打开太阳能集热器(1)的出水口，将太阳能集热器(1)中的热水通过用户管网单元抽取至换热器(2)；所述电锅炉单元，包括电蓄热锅炉(6)、第二温度传感器(7)、第二循环水泵(8)、第二电磁阀(9)和电网投切装置(10)；所述电蓄热锅炉(6)用于正常情况下的夜间低谷用电时段运行和极端气候天气时的非低谷用电时段运行，加热其中的水，电蓄热锅炉(6)的进水口连接冷水管；所述第二温度传感器(7)设于电蓄热锅炉(6)的出水口内，用于检测电蓄热锅炉(6)出水口处的水温；所述第二循环水泵(8)和第二电磁阀(9)依次连接于所述电蓄热锅炉(6)的出水口末端，用于打开电蓄热锅炉(6)的出水口，将电蓄热锅炉(6)中的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；所述电网投切装置(10)连接电网电源，为电蓄热锅炉(6)的运行供电；所述蓄热单元，包含蓄热水箱(11)、第三循环水泵(12)、第三电磁阀(13)、第四循环水泵(14)和第四电磁阀(15)；所述蓄热水箱(11)包括保温层(1101)、内底部的液位传感器(1102)和出水口内的第三温度传感器(1103)，所述液位传感器(1102)用于检测蓄热水箱(11)内部的水位，所述第三温度传感器(1103)用于检测蓄热水箱(11)出水口处的水温；所述第三循环水泵(12)和第三电磁阀(13)依次连接于蓄热水箱(11)的进水口上端，用于将所述换热器(2)的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；所述第四循环水泵(14)和第四电磁阀(15)依次连接于蓄热水箱(11)的出水口末端，用于打开蓄热水箱(11)的出水口，将蓄热水箱(11)的热水抽取至用户供暖末端，进行供暖；所述用户管网单元，包括循环管道(16)、地暖盘管(17)、集水器(18)和分水器(19)；所述循环管道(16)用于系统中各单元之间水路的连通；所述地暖盘管(17)为供暖末端，用于为用户供暖；所述集水器(18)设于所述地暖盘管(17)的进水口，通过循环管道(16)与蓄热单元连接；所述分水器(19)设于所述地暖盘管(17)的出水口，通过循环管道(16)与所述太阳能集热器(1)和电蓄热锅炉(6)的进水口连接；所述系统控制单元(20)，包括室内温度传感器(201)、中央控制器及其外围控制电路，室内温度传感器(201)用于采集用户室内的温度，中央控制器用于接收各温度传感器和液位传感器(1102)的信号，经过分析处理后发出控制信号，通过外围控制电路控制各电磁阀的开度、各循环水泵的运行和电网投切装置(10)的运行。...

【技术特征摘要】
1.一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统，其特征在于，该系统包括太阳能集热单元、蓄热单元、电锅炉单元、用户管网单元和系统控制单元(20)；所述太阳能集热单元和电锅炉单元用于为系统提供暖源，是系统能源供应部分，均与所述蓄热单元相连；所述蓄热单元用于储存热水，是系统能源储存部分，与所述用户管网单元相连；所述用户管网单元作为系统循环的通道及供暖末端；系统控制单元(20)用于控制各单元，保证系统的自动运行；所述太阳能集热单元，包括太阳能集热器(1)、换热器(2)、第一温度传感器(3)、第一循环水泵(4)和第一电磁阀(5)；所述太阳能集热器(1)用于在太阳光照射下不断加热其中的水，太阳能集热器(1)的进水口连接冷水管；所述换热器(2)用于与太阳能集热器(1)进行热交换；所述第一温度传感器(3)设于太阳能集热器(1)的出水口内，用于检测太阳能集热器(1)出水口处的水温；所述第一循环水泵(4)和第一电磁阀(5)依次连接于所述太阳能集热器(1)的出水口末端，用于打开太阳能集热器(1)的出水口，将太阳能集热器(1)中的热水通过用户管网单元抽取至换热器(2)；所述电锅炉单元，包括电蓄热锅炉(6)、第二温度传感器(7)、第二循环水泵(8)、第二电磁阀(9)和电网投切装置(10)；所述电蓄热锅炉(6)用于正常情况下的夜间低谷用电时段运行和极端气候天气时的非低谷用电时段运行，加热其中的水，电蓄热锅炉(6)的进水口连接冷水管；所述第二温度传感器(7)设于电蓄热锅炉(6)的出水口内，用于检测电蓄热锅炉(6)出水口处的水温；所述第二循环水泵(8)和第二电磁阀(9)依次连接于所述电蓄热锅炉(6)的出水口末端，用于打开电蓄热锅炉(6)的出水口，将电蓄热锅炉(6)中的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；所述电网投切装置(10)连接电网电源，为电蓄热锅炉(6)的运行供电；所述蓄热单元，包含蓄热水箱(11)、第三循环水泵(12)、第三电磁阀(13)、第四循环水泵(14)和第四电磁阀(15)；所述蓄热水箱(11)包括保温层(1101)、内底部的液位传感器(1102)和出水口内的第三温度传感器(1103)，所述液位传感器(1102)用于检测蓄热水箱(11)内部的水位，所述第三温度传感器(1103)用于检测蓄热水箱(11)出水口处的水温；所述第三循环水泵(12)和第三电磁阀(13)依次连接于蓄热水箱(11)的进水口上端，用于将所述换热器(2)的热水通过用户管网单元抽取至蓄热单元；所述第四循环水泵(14)和第四电磁阀(15)依次连接于蓄热水箱(11)的出水口末端，用于打开蓄热水箱(11)的出水口，将蓄热水箱(11)的热水抽取至用户供暖末端，进行供暖；所述用户管网单元，包括循环管道(16)、地暖盘管(17)、集水器(18)和分水器(19)；所述循环管道(16)用于系统中各单元之间水路的连通；所述地暖盘管(17)为供暖末端，用于为用户供暖；所述集水器(18)设于所述地暖盘管(17)的进水口，通过循环管道(16)与蓄热单元连接；所述分水器(19)设于所述地暖盘管(17)的出水口，通过循环管道(16)与所述太阳能集热器(1)和电蓄热锅炉(6)的进水口连接；所述系统控制单元(20)，包括室内温度传感器(201)、中央控制器及其外围控制电路，室内温度传感器(201)用于采集用户室内的温度，中央控制器用于接收各温度传感器和液位传感器(1102)的信号，经过分析处理后发出控制信号，通过外围控制电路控制各电磁阀的开度、各循环水泵的运行和电网投切装置(10)的运行。2.根据权利要求1所述的一种电蓄热锅炉与太阳能联合采暖的系统，其特征在于，所述循环管道(16)采用铜管；地暖盘管(17)采用回旋设置的盘折式水管；中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东升，张化光，王占山，许向雷，刘鑫蕊，杨珺，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21