基于能量管理的多熱源熱水系統監測與控制關鍵技術研究*

楊前明，張亞軍，李 亭，李 凱

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590)

0 引 言

以太陽能集熱系統、空氣源(地熱源)熱泵熱水機組與余熱回收等多熱源有機組合的熱水系統工程，由于其能效比高、組合靈活和易于安裝實現等優點［1-2］，近年來在建筑物熱水與采暖工程、工業供熱等技術領域獲得了廣泛的應用，受到了業內同仁的高度關注與認可。由于系統熱負荷構成的多樣性，如何綜合考慮系統供熱負荷與初投資、構成熱源的性價比及系統運行成本、多種熱源調配與運行策略則又是一項技術組合與創新層面上的研究課題。

本研究在對大量國內外最新技術文獻研究的基礎上，給出太陽能空氣源熱泵多熱源熱水系統(SAMW)可視化遠程監測與控制(VRMC)的設計方案。

1 SAMW系統組成及其用能策略

1.1 系統組成

SAMW系統組成原理如圖1所示。該系統主要包括太陽能集熱器、集熱水箱、空氣源熱泵、電加熱裝置、余熱回收裝置、各類循環水泵、電磁閥、止流閥、管網及控制系統等部件，系統熱源由太陽能集熱系統(solar collecter water system，SCWS)、空氣源熱泵熱水系統(air heat pump water system，AHPWS)、余熱回收系統(waste heat recovery system，WHRS)聯合提供，電加熱系統(electric heating emergency system，EHES)作為特種氣候條件下的應急熱源。

圖1 SAMW系統組成示意圖

1.2 用能策略

SAMW系統的用能策略示意框圖如圖2所示。在SAMW系統熱源中，一般將污水余熱作為常態熱源，太陽能作為優先使用熱源，熱泵熱源作為主流熱源，電加熱作為應急熱源;系統熱負荷能力及其能效比取決于系統的多熱源聯合供熱策略。多熱源系統的用能要求為:以獲得系統最佳能效比為目標，優先使用常態熱源(廢水余熱)、太陽能;根據季節與氣候條件及系統熱負荷供應目標，設定溫度、時間等運行參數，合理調配使用系統熱源構成及占比。

圖2 SAMW系統用能策略示意框圖

2 SAMW系統VRMC實現方法

2.1 VRMC系統組成

VRMC系統監控原理結構圖如圖3所示。該系統主要由監控計算機(包括服務器端、客戶端)、主控制器(可編程控制器PLC，也可為PCI數據采集與控制板卡等)、工業現場總線(如RS485、CAN總線)、電路器件(如繼電器、接觸器、斷路器等)、信號檢測元件(如溫度、液位、功率、光照等傳感器)以及Internet網絡支持環境等單元組成［3-4］。

圖3 VRMC系統結構原理圖

現場監控計算機(服務器端)對主控制器運行狀態進行可視化顯示與過程控制，并通過Internet網進行Web發布，實現遠程監控，工作人員可通過監控軟件進行系統參數的相關設置。主控制器通過溫度、液位、功率、光照度等檢測傳感器對系統運行與氣候參數進行實時檢測，并根據控制程序實施對循環水泵、空氣源熱泵等執行元件的啟停控制。

2.2 多熱源運行流程

SAMW系統的VRMC監控流程如圖4所示，各子系統根據用能策略，能量品位及其性價比有機協同，提供系統熱負荷需求總量。

(1)SCWS子系統。太陽能集熱系統采用溫差循環供熱，當 T1＞T3(T1—集熱器出口水溫，T3—水箱實際水溫)，且 T1－T3≥△TP1on時，循環水泵 P1運行，直至T1－T3≤△TP1off時，循環水泵P1停止。如此反復進行，直至 T3≥Tset(Tset—水箱設定溫度)時停止。

圖4 VRMC系統控制流程

(2)AHPWS子系統。空氣源熱泵熱水系統采用定時段、定溫度目標循環供熱。在某時刻t0，當T12≥THP(T12—環境氣溫，THP—熱泵經濟運行溫度)且T3t0≤Tsett0(Tsett0—水箱設定在t0時刻水溫，T3t0—t0時刻水箱實際溫度)時，熱泵HP及其循環水泵P2運行，直至 T3≥Tset時停止［5-6］。

(3)WHRS子系統。余熱回收系統主要由板式換熱器(或采用污水源熱泵)在自來水通過時進行余熱回收。

(4)EHES子系統。電加熱應急系統擔負特種惡劣天氣下，人工應急啟動提供系統需求熱負荷。

表1 SAMW系統中各熱源系統的運行流程

3 監控軟件設計

3.1 軟件結構與功能

SAMW熱水系統采用CenturyStar開發其監控軟件，軟件結構如圖5所示。以數據庫為核心，向上表現為人機界面(HMI，包括報表、趨勢曲線、報警等)及Web發布、ODBC數據源等應用，向下表現為現場設備的驅動程序(I/O Driver);監控軟件通過I/O Driver和工業現場總線與主控制器進行通信，把主控制器采集到的系統運行參數進行實時顯示和控制，并通過Internet網進行Web發布，實現遠程監控;監控軟件具有系統運行參數存儲、分析計算、繪制趨勢曲線、能源管理等功能。

圖5 監控軟件結構

3.2 軟件開發過程

3.2.1 監控界面

在CenturyStar開發系統的瀏覽器里面，本研究通過圖形控件、變量字典、系統配置等建立監控界面。監控界面［7-8］如圖6所示。可實時顯示系統的運行參數及對系統進行過程控制。

圖6 SAMW系統監控界面

3.2.2 I/O 設備配置

該系統采用主控制器(如PLC、PCI板卡)完成底層數據采集和底層控制過程。主控制器通過工業現場總線(如 RS485、CAN總線)與監控計算機通信。在CenturyStar開發系統的瀏覽器里面，通過“設備驅動”/“設備安裝向導”，按提示即可完成主控制器I/O驅動程序的配置。

3.2.3 遠程監控

監控軟件可通過Internet網絡進行數據的Web發布，實現對系統的遠程監控。具體分為監控計算機連接上網硬件設置與監控軟件Web發布服務器端和客戶端軟件設置兩部分。

4 系統運行測試

該系統在中國東部城市青島地區進行了運行測試，測試條件為:某年全年，年均氣溫12.5℃，補水水溫在3℃ ～17℃之間，系統每天需提供40℃熱水150 t。

測試結果如下:系統運行穩定可靠，供應熱水及時合格，節能效果顯著，實現了對系統用能狀態的實時監測和管理，提高了系統熱效率和技術文檔管理水平。

5 結束語

通過介紹SAMW系統的熱源結構及用能策略，本研究以能源管理及最優能效比為設計目標，優化了各熱源子系統的控制流程，給出了實現其可視化遠程監測與控制的一整套開發流程;以“PC+PLC“為控制核心，借助 CenturyStar平臺開發監控軟件，構建了SAMW系統的實驗示范工程。

系統實際測試結果表明，本研究提出的設計方法合理有效，系統運行穩定，能夠實現科學用能管理，具有良好的熱性能與能效比。該系統為實現太陽能、空氣能、污水廢熱能等低品位能源的綜合高效利用提供了設計參考依據。

［1］楊前明，李心靈，李 亭，等.低品位多熱源聯供熱水系統的節能分析［J］.太陽能，2012(15):26-29.

［2］馮詩愚，胡 偉，高秀峰，等.熱泵輔助太陽能中央熱水系統年運行特性研究［J］.太陽能學報，2008，29(3):283-289.

［3］YANG Qian-ming，ZENG Qing-liang，LIU Ting-rui，et al.Research on On-line Monitoring of Performance Parameters for Solar-Assisted-Heat Pump Machine［C］//ACRA2006.Korea:［s.n.］，2006:739-742.

［4］YANG Qian-ming，ZENG Qing-liang.CAT and C system design and experimental analysis of a solar heat pump multifunction machine［C］//2007 8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments.Xi'an:［s.n.］，2007:2595-2600.

［5］袁家普.太陽能熱水系統手冊［M］.北京:化學工業出版社，2010.

［6］孔祥強，李 瑛，楊前明.太陽能熱泵系統綜合實驗臺的研制［J］.實驗室研究與探索，2010，29(6):18-20.

［7］趙廷林，張運真，青春耀，等.洗浴中心節能系統模式［J］.可再生能源，2005，31(2):45-47.

［8］段朝霞，雷兵山.空氣源熱泵在學生浴室中的應用［J］.建筑節能，2009(8):39-41.