一种温室地源热泵加热设备控制方法

1.本发明涉及农业自动化技术领域，尤其是涉及一种温室地源热泵加热设备控制方法。


背景技术：

2.随着农业智能化的发展和温室建造的进步，越来越多的种植企业和农户开始使用智能的温室来满足他们的种植需求。同时，随着大数据时代的发展，目前已经有很多的农业大棚与温室通过采集环境数据而积累了一定的历史数据。但是由于技术的原因与用户自身水平的限制，对于温室或大棚内大多数执行机构的动作控制，还处于人工手动操作的阶段。用户主要根据多年来的种植经验与实时传感器的数据反馈，以相应控制温室内的执行器动作，这种方式虽然能一定程度上满足种植的最基本要求，但是从效率与能耗上来讲，是低效和浪费的。特别是在设有加热设施的温室中，以地源热泵为例，地源热泵技术是一种利用地热资源，如土壤、地下水或河流、湖泊中吸收储存的太阳能、地热能，通过输入少量高品位能源，实现低品位热能向高品位热能转移，从而对室内供暖的空调技术。现阶段，绝大多数的温室管理人员还是手动的依靠经验去设置开关时间与出水口温度，并不能充分利用室内外的环境因素与过往数据，无法实现智能调控，控制效果较差，当应对不同天气环境下的加热需求时，难以确保及时动态地调整地源热泵的开启条件和出水口设定温度，天气恶劣时甚至容易发生冻害的危险。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种温室地源热泵加热设备控制方法，能够及时地动态调整地源热泵的开启条件和出水口设定温度，从而适配不同环境下的加热需求，且具有节能的效果。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种温室地源热泵加热设备控制方法，包括以下步骤：
5.s1、采集温室环境信息和天气预报信息；
6.s2、根据温室环境信息和天气预报信息，计算目标加热温度；
7.s3、通过比较当前室内环境温度与目标加热温度，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤s4，否则返回步骤s2；
8.s4、根据温室环境信息和天气预报信息，进一步计算出水口目标温度，并将出水口温度设定为目标温度，之后返回步骤s2。
9.进一步地，所述步骤s1采集的温室环境信息包括室内温度、室外温度、室外日累计光照强度。
10.进一步地，所述步骤s1采集的天气预报信息具体为室外夜间最低温度。
11.进一步地，所述步骤s2中目标加热温度的计算公式具体为：
12.th
eat
＝t
target
+δt
radsum
+δt
out
+δt
outnig
[0013][0014]
其中，th
eat
为目标加热温度，t
target
为种植的设定温度，δt
radsum
为室外日光照累计修正值，δt
outnig
为夜间最低温度修正值，δt
out
为室外温度修正值，δt为修正函数范式，δt
max
与δt
min
分别为δt的修正上限与下限，x为环境因子自变量，x
low
与x
high
为x的取值范围，α、β分别为修正系数，均为常数。
[0015]
进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：
[0016]
s31、根据设定时间步长，获取地源热泵在前一个时间步的工作状态；
[0017]
s32、结合地源热泵在前一个时间步的工作状态，将当前室内温度与目标加热温度进行比较，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤s4，否则返回步骤s2。
[0018]
进一步地，所述步骤s31中设定时间步长具体为5分钟。
[0019]
进一步地，所述地源热泵在前一个时间步的工作状态具体为开启或关闭。
[0020]
进一步地，所述步骤s32具体包括以下步骤：
[0021]
s321、若地源热泵在前一个时间步的工作状态为开启，则执行步骤s322；
[0022]
若地源热泵在前一个时间步的工作状态为关闭，则执行步骤s323；
[0023]
s322、将当前室内温度与目标加热温度进行比较，若当前室内温度大于目标加热温度，则关闭地源热泵系统、之后返回步骤s2；否则开启地源热泵系统、之后执行步骤s4；
[0024]
s323、将当前室内温度与目标加热温度进行比较，若当前室内温度小于目标加热温度，则开启地源热泵系统、之后执行步骤s4；否则保持地源热泵系统的关闭状态、之后返回步骤s2。
[0025]
进一步地，所述步骤s322、步骤s323中开启地源热泵系统的具体过程为：铺开内保温网，打开地源热泵系统中各设备开关。
[0026]
进一步地，所述步骤s4中出水口目标温度的计算公式具体为：
[0027]
t
water
＝t
initial
+δt
tempaver
+δt
radsum
[0028][0029]
其中，t
water
为出水口目标温度，t
initial
为由天气预报夜间最低温度决定的出水口温度初始设定值，δt
tempaver
为室内白天平均温度的修正值，δt
radsum
为室外日光照累计修正值。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031]
一、本发明通过采集温室内外环境的历史数据与天气预报的信息，以此分别计算目标加热温度和出水口目标温度，结合当前室内温度与目标加热温度之间的比较判断，从而确定出是否开启地源热泵系统、以及完成对出水口温度的设定。由此能够充分利用历史数据与天气预测的信息，动态调整地源热泵的开启/关闭与出水口温度设定，以适应不同室外环境的加热需求，比如在寒冷恶劣天气提前开启加热，提高出水口温度；在比较温和的天气则延迟加热，降低出水口温度，具有节能降耗的效果。
[0032]
二、本发明在计算目标加热温度和出水口目标温度时，采用修正值范式的方式，即能够针对不同环境因子，结合相应的历史数据或预设条件，实现不同环境因子修正函数的确定，使得实际应用中能够通过调整修正模型，进而适用于不同地区不同作物的温室需求，提高本发明的普适性。
附图说明
[0033]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0034]
图2为修正函数的一般形式曲线示意；
[0035]
图3为地源热泵系统的开关控制逻辑框图；
[0036]
图4为实施例中室外日光照累计修正函数曲线示意；
[0037]
图5为实施例中夜间最低温度修正函数曲线示意；
[0038]
图6为实施例中室外温度修正函数曲线示意；
[0039]
图7为实施例中出水口温度修正函数曲线示意；
[0040]
图8为实施例中室内白天平均温度修正函数曲线示意。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0042]
实施例
[0043]
如图1所示，一种温室地源热泵加热设备控制方法，包括以下步骤：
[0044]
s1、采集温室环境信息和天气预报信息，其中，温室环境信息包括室内温度、室外温度、室外日累计光照强度；天气预报信息具体为室外夜间最低温度；
[0045]
s2、根据温室环境信息和天气预报信息，计算目标加热温度：
[0046]
th
eat
＝t
target
+δt
radsum
+δt
out
+δt
outnig
[0047][0048]
式中，t
heat
为目标加热温度，t
target
为种植的设定温度，δt
radsum
为室外日光照累计修正值，δt
outnig
为夜间最低温度修正值，δt
out
为室外温度修正值，δt为修正函数范式(如图2所示)，δt
max
与δt
min
分别为δt的修正上限与下限，x为环境因子自变量，x
low
与x
high
为x的取值范围，α、β分别为修正系数，均为常数；
[0049]
s3、通过比较当前室内环境温度与目标加热温度，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤s4，否则返回步骤s2；
[0050]
具体的，如图3所示，首先判断地源热泵在上一时间步是否开启，本实施例中，设定时间步长为5分钟，若开启，则将当前室内温度与目标加热温度t
heat
进行比较，温室内温度大于目标加热温度t
heat
则关闭地源热泵系统、之后返回步骤s2，反之则铺开内保温网开启加热系统、之后执行步骤s4；
[0051]
若关闭则将当前室内温度与目标加热温度t
heat
进行比较，若室内温度小于目标加热温度t
heat
，则铺开内保温网并打开地源热泵加热系统、之后执行步骤s4，反之则保持关
闭、之后返回步骤s2；
[0052]
s4、根据温室环境信息和天气预报信息，进一步计算出水口目标温度，并将出水口温度设定为目标温度，之后返回步骤s2，其中，出水口目标温度的计算公式具体为：
[0053]
t
water
＝t
initial
+δt
tempaver
+δt
radsum
[0054][0055]
式中，t
water
为出水口目标温度，t
initial
为由天气预报夜间最低温度决定的出水口温度初始设定值，δt
tempaver
为室内白天平均温度的修正值，δt
radsum
为室外日光照累计修正值。
[0056]
本实施例应用上述技术方案，针对2022年11月-2023年3月在上海崇明的venlo型温室内进行试验，该温室作物为红掌花卉，适宜温度为17-28℃，该温室的地源热泵加热设施为carrier公司的竖直埋管式地源热泵系统，室内有辐射盘管为温室传递热量。冬天，热泵主机制取35～55℃的热水供室内地辐射盘管，从而达到制热效果。在温室内的中间高度中央位置安装了温度、湿度、光照强度传感器，并在室外布置了气象采集箱，用于采集室外温度、室外湿度、室外光照强度等信息。
[0057]
采集温室相关环境信息：室内温度、室外温度、室外日累计光照强度；获取天气预报信息：室外夜间最低温度。
[0058]
计算目标加热温度t
heat
；
[0059]
t
heat
＝t
target
+δt
radsum
+δt
out
+δt
outnig
[0060]
结合上海崇明花卉温室的具体需求，设计不同环境因子的修正模型：
[0061]
首先t
target
为种植的设定温度，按不同的时间段有不同的需求，将一天分为5个时间段(6:00-10:00，10:00-14:00,14:00-18:00,18:00-24:00,24:00-6:00)，它们所对应的种植设定温度为(18℃，23℃，21℃，17℃，15℃)。
[0062]
δt
radsum
为室外日光照累计修正，根据崇明当地冬天的室外光照累计历史数据设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图4所示。
[0063]
δt
outnig
为夜间最低温度修正，根据崇明当地冬季夜间最低温度范围设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图5所示。
[0064]
δt
out
为室外温度修正，根据崇明冬季的温度范围设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图6所示。
[0065]
由此根据环境数据与天气预报信息，计算出t
heat
。
[0066]
之后进行地源热泵系统的开启条件判断，包括以下步骤：
[0067]
s301、判断地源热泵在上一时间步是否开启，时间步长为5分钟，若开启则执行s302，若关闭则执行s303；
[0068]
s302、将室内温度与目标加热温度y
heat
进行比较，温室内温度大于目标加热温度则关闭地源热泵系统，反之则铺开内保温网开启加热系统；
[0069]
s303、将室内温度与目标加热温度进行比较，若室内温度小于目标加热温度t
heat
，则铺开内保温网并打开地源热泵加热系统，反之则保持关闭。
[0070]
若满足室内的实时温度小于t
heat
，则计算出水口目标温度t
water
，具体的t
water
计算
方式如下：
[0071]
t
water
＝t
initial
+δt
tempaver
+δt
radsum
[0072]yinitial
为由天气预测夜间最低温度决定的出水口温度初始设定值，根据崇明当地冬季的夜间最低温度范围与地源热泵出水口温度实际适宜设定范围，设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图7所示。
[0073]
δt
tempaver
为室内白天平均温度的修正，根据温室日平均温度范围设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图8所示。
[0074]
δt
radsum
为室外日累积光照修正，根据崇明当地冬天的室外光照累计历史数据设计δt
max
，δt
min
，α，β，x
low
，x
high
，具体的修正函数曲线如图4所示。
[0075]
由此根据环境数据与天气预测信息，计算出t
water
，并将出水口温度设定值设置为该值，启动地源热泵进行温室加热。
[0076]
假设此时时间属于18:00-24:00时间段，则种植的设定温度为17℃，天气预测的夜间最低温度为-5℃，从日出开始的室外日累计光照为0.2j/m2，此时的室外温度为-2℃，室内从日出开始的白天平均温度为19℃，根据公式与各环境因子修正曲线可计算出t
heat
＝17+(-1)+(1)+(1.2)＝18.2℃，若此时室内的温度小于18.2℃，则可计算出t
water
＝(50)+(0.4)+(-1)＝49.4℃，再将地源热泵的出水口温度设置为49.4℃，开启加热。
[0077]
综上可知，与传统的单温度因子阈值调控算法相比，本技术方案能够充分利用历史数据与天气预测的信息，动态调整开启时间与出水口温度设定以适应不同的室外环境。在寒冷恶劣天气提前开启加热，提高出水口温度；在比较温和的天气延迟加热，降低出水口温度，具有节能降耗的效果。且具有较强的普适性，在不同地区不同作物的温室内通过调整修正模型，能够适用于不同温室，对实际的地源热泵加热系统调控有重要意义。

技术特征：
1.一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采集温室环境信息和天气预报信息；s2、根据温室环境信息和天气预报信息，计算目标加热温度；s3、通过比较当前室内环境温度与目标加热温度，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤s4，否则返回步骤s2；s4、根据温室环境信息和天气预报信息，进一步计算出水口目标温度，并将出水口温度设定为目标温度，之后返回步骤s2。2.根据权利要求1所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s1采集的温室环境信息包括室内温度、室外温度、室外日累计光照强度。3.根据权利要求2所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s1采集的天气预报信息具体为室外夜间最低温度。4.根据权利要求3所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s2中目标加热温度的计算公式具体为：th
eat
＝t
target
+δt
radsum
+δt
out
+δt
outnig
其中，th
eat
为目标加热温度，t
target
为种植的设定温度，δt
radsum
为室外日光照累计修正值，δt
outnig
为夜间最低温度修正值，δt
out
为室外温度修正值，δt为修正函数范式，δt
max
与δt
min
分别为δt的修正上限与下限，x为环境因子自变量，x
low
与x
high
为x的取值范围，α、β分别为修正系数，均为常数。5.根据权利要求1所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括以下步骤：s31、根据设定时间步长，获取地源热泵在前一个时间步的工作状态；s32、结合地源热泵在前一个时间步的工作状态，将当前室内温度与目标加热温度进行比较，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤s4，否则返回步骤s2。6.根据权利要求5所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s31中设定时间步长具体为5分钟。7.根据权利要求5所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述地源热泵在前一个时间步的工作状态具体为开启或关闭。8.根据权利要求7所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s32具体包括以下步骤：s321、若地源热泵在前一个时间步的工作状态为开启，则执行步骤s322；若地源热泵在前一个时间步的工作状态为关闭，则执行步骤s323；s322、将当前室内温度与目标加热温度进行比较，若当前室内温度大于目标加热温度，则关闭地源热泵系统、之后返回步骤s2；否则开启地源热泵系统、之后执行步骤s4；s323、将当前室内温度与目标加热温度进行比较，若当前室内温度小于目标加热温度，则开启地源热泵系统、之后执行步骤s4；否则保持地源热泵系统的关闭状态、之后返回步骤
s2。9.根据权利要求8所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s322、步骤s323中开启地源热泵系统的具体过程为：铺开内保温网，打开地源热泵系统中各设备开关。10.根据权利要求4所述的一种温室地源热泵加热设备控制方法，其特征在于，所述步骤s4中出水口目标温度的计算公式具体为：t
water
＝t
initial
+δt
tempaver
+δt
radsum
其中，t
water
为出水口目标温度，t
initial
为由天气预报夜间最低温度决定的出水口温度初始设定值，δt
tempaver
为室内白天平均温度的修正值，δt
radsum
为室外日光照累计修正值。

技术总结
本发明涉及一种温室地源热泵加热设备控制方法，包括：S1、采集温室环境信息和天气预报信息；S2、根据温室环境信息和天气预报信息，计算目标加热温度；S3、通过比较当前室内环境温度与目标加热温度，判断是否开启地源热泵，若判断为是，则执行步骤S4，否则返回步骤S2；S4、进一步计算出水口目标温度，并将出水口温度设定为目标温度，之后返回步骤S2。与现有技术相比，本发明能够充分利用历史数据与天气预测的信息，动态调整地源热泵的开启条件和出水口设定温度，以适应不同的室外环境，具有节能降耗的效果；本发明具有较强的普适性，通过调整修正模型，即可适用于不同地区不同作物的温室，对实际的地源热泵加热系统调控有重要意义。对实际的地源热泵加热系统调控有重要意义。对实际的地源热泵加热系统调控有重要意义。


技术研发人员：蔚瑞华 陈启发 徐立鸿
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/21