太陽能、熱泵熱水工程多模式測試及技術實現

摘 要： 太陽能、熱泵熱水工程的部件配置與安裝模式通常隨用戶需求和建筑風格而變化，這種模式的多樣化給控制系統設計和工程施工及維護帶來不少難題。此外，各種模式的熱水工程各有哪些性能特點和相關測試條件，至今尚無比較全面的研究文獻，也給工程設計和論證帶來不便。在此應用嵌入式系統和.NET等技術，設計并實現了多模式太陽能熱水工程測試系統，完成了常用工程模式的建模和ARM處理器的可配置控制模式編程，解決了上位機安裝模式配置與主控制器控制模式的同步切換問題，有效降低了太陽能熱水工程的設計、施工和維護的難度；同時應用該系統實現3種典型工程模式的構建和測試，實驗數據反映了不同模式的性能差異，相關技術已應用于多個太陽能熱水工程中。

關鍵詞： 太陽能； 熱水工程； 多模式測試； 控制與管理

中圖分類號： TN919?34； TP27； TK51 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0133?04

0 引 言

為了盡可能減少對原建筑物外觀的影響，又要使太陽能中央熱水工程具有盡可能高的能效，通常需要針對不同的樓宇結構和用戶需求設計工程的主要部件配置及其安裝模式，由于樓宇結構種類眾多、用戶需求更是千差萬別，傳統的工程控制系統通常采用繼電方式（即定時器+溫控器+接觸器）或可編程控制器（PLC）方式構建，通過改變繼電方式的電路連接或修改PLC的控制程序來適應上述工程設計的差別。繼電方式雖然具有低成本的優勢，但其眾多不同連接的控制電路給安裝、調試和維護帶來不少困難；而PLC方式基本不改變控制電路的硬件配置，只需修改控制程序即可，但需要相關的專業人員才能夠完成，而且其建設成本較高。此外，在眾多的安裝方式中，哪一種性價比最高、節能效率最好，至今未見系統的評價方法和相應的測試條件的報道。

在本課題組研究開發的面向集群應用的太陽能熱水器測控與管理系統中，已經實現了可視化監控與管理安裝在全國各地的太陽能熱水器工程[1]。本文擬從構建多模式工程測試的實驗系統基礎上，對典型工程配置和安裝模式開展相關的研究工作，力求常用工程配置和安裝模式的可視化配置以及提出符合實際應用的測試和評價方法。

1 多模式工程測試系統設計

1.1 多模式工程測試系統結構

太陽能、熱泵熱水工程多模式測試系統的組成如圖1所示，圖中集熱板1，2，3可任意配置為1～3組；儲熱水箱可配置成單水箱或雙水箱模式；集熱板出水管可連接至集熱水箱接口A1或供熱水箱接口A2；進冷水管可連接至集熱水箱接口E1或供熱水箱接口E2；集熱板溫差循環水管可連接至集熱水箱接口B1或供熱水箱接口B2；空氣源熱泵可連接至集熱水箱接口D1或供熱水箱接口D2；集熱水箱和供熱水箱的電加熱設備可配置為安裝或未安裝；上述各種配置和安裝方式均可通過電磁閥切換實現。

1.2 多模式控制系統設計

多模式控制系統由上位機管理軟件、主控制器、多模式控制電路和圖1所示太陽能熱水工程組成，其中上位機管理軟件和主控制器是在文獻[1?2]基礎上，增加了多種工程模式的建模，并據此在主控制器的ARM處理器上實現可配置控制模式編程，并可直接應用于實際工程中。多模式控制電路用于測試時的模式切換。

1.2.1 常用工程模式建模

通過對常用工程模式的比對分析，先抽象出集熱板、水箱、輔助加熱、管路（包括水管和水泵）4個對象，分別為每個對象定義一個結構體，每個結構體中包含屬性參數、設置參數。再采用結構體的嵌套和結構體指針分別為集熱板組、集熱水箱、供熱水箱、輔助加熱設備（包括空氣源熱泵和電加熱等）、水管集合（包括進冷水管、集熱板溫差循環管和集熱板出水管等）這5個對象定義一個結構體，每個結構體包含父結構體、設置參數、測量參數、控制標示和對象連接配置五類數據類型。

圖2為集熱板和水箱的結構體，當出水管連接集熱水箱時，其連接配置就指向集熱水箱對象，如圖2中實線箭頭所示，定溫出水控制判斷條件就取集熱板組的水溫和集熱水箱的水溫、水位的運算結果；如果出水管連接供熱水箱，其連接配置就指向供熱水箱對象，如圖2中虛線箭頭所示，定溫出水控制判斷條件就取集熱板組的水溫和供熱水箱的水溫、水位的運算結果。

1.2.2 多模式控制電路設計

多模式控制電路的構成如圖3所示，主要由ARM7處理器、輸出控制模塊、數據存儲模塊和通信接口5個部分組成。每一種工程模式對應的電磁閥運行表保存于E2PROM中，ARM7處理器根據來自主控器的模式配置信息從E2PROM中調用電磁閥運行表，形成控制邏輯經輸出控制模塊驅動電磁閥實現模式切換。

1.2.3 ARM處理器的可配置控制模式 編程

ARM處理器的可配置控制模式是在上述工程模式建模基礎上，采用如圖4所示配置技術實現的。E2PROM中存儲著安裝模式的配置參數，系統上電初始化后，首先判斷E2PROM是否正常，若不正常則直接采用默認配置數據；若E2PROM正常而且無最新模式配置數據，則仍然讀取默認配置數據，并將默認配置數據保存于E2PROM中，同時寫入特殊標記。若上位機有下傳新的模式配置信息，E2PROM中將有新的特殊標記，這時程序將讀取新的配置數據，并據此確認對象之間的連接關系和所指向對象的相關參數，然后調用相應的運行控制子程序。

1.2.4 模式配置與控制的同步切換

2.2 測試依據

2.3 測試方法

本測試系統安裝了熱量表MTH?6，電能表DTS（X）343和水表Lxs?50e，三者均為數字式儀表，系統控制器可直接讀取集熱器的集熱量、系統耗電量和用戶熱水用量等參數。本測試系統在實現對工程運行的自動控制的同時，能夠自動采集各種工程模式的運行狀態和參數，為了便于分析比較，選擇太陽輻射總量基本相同天氣，并控制每天的熱水用量基本一致，下面的測試結果分析就是在眾多的數據中選擇符合上述條件的數據進行的。

2.4 測試結果分析

（1）單水箱模式雖然結構比較簡單， 但為了保證用戶的用水質量，水箱水位需要保持較高水位，導致太陽能輻射強度較弱的情況下長時間啟動空氣源熱泵，能耗較高，使得系統COP較低，單位熱水能耗高，太陽能保證率低。雙水箱系統的能效相對較高， 供水保證率也高，從節能的角度考慮， 建議優先采用雙水箱系統[8?10]。

3 結 語

本文設計并實現了多模式太陽能、熱泵熱水工程測試系統，通過對常用工程配置及安裝模式進行建模，并據此對ARM處理器多模式控制的可配置編程，實現了工程控制器的控制模式與上位機管理界面的同步切換，簡化了各種模式的太陽能、熱泵熱水工程的設計、施工、測試及維護工作，應用本系統構建了3種常用太陽能熱水工程并進行實際測試，得到不同模式下的能效指標以及對實際工程模式的選型提出建議。該系統的相關技術已應用于福州眾望達太陽能技術開發有限公司的多個工程項目中，也為類似的工程測試以及集熱板等主要部件的性能評價提供便捷的測試環境。

參考文獻

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