高精度智能化控制系統在太陽能熱水工程中的實際應用

南京市第一醫院 ■ 李瑾

0 引言

控制系統是太陽能熱水工程的核心組成部分，會直接影響太陽能熱水工程后期運行的穩定性、利用效率及節能效果。隨著國內公共建筑屋頂太陽能熱水工程的普及，大量粗放式控制系統被使用，導致很多太陽能熱水工程并未達到預期的節能效果。因此，在選用太陽能熱水工程控制系統時，需要充分考慮用戶的實際用水特點，科學設計控制系統的加熱控制方式，并選用高精度數據采集元件，編制科學合理的邏輯程序，以實現穩定、安全、高效的控制目的，從而達到最優化的節能效果。

本文介紹了應用于南京市第一醫院太陽能熱水工程的高精度智能化控制系統，并與常規控制系統的優劣進行了對比分析，以說明太陽能熱水工程采用高精度智能化控制系統的重要性和必要性。

1 常規控制系統中普遍存在的問題

由于太陽能熱水工程會受陰雨天氣的影響，所以在項目設計、建設和運行階段，需要配置輔助熱源，并通過控制系統對整套設備進行控制管理。但目前太陽能熱水工程控制系統普遍存在加熱方式與水箱水位控制粗放的問題，未能實現太陽能系統的最大化利用。

1.1 加熱方式控制粗放

太陽能熱水工程控制系統對輔助加熱設備控制不合理，未實現優先利用太陽能，從而導致太陽能無法被最大化利用。例如，常規控制系統的控制方式為：當水箱水位低于滿水位時，冷水自動補水，直至水箱水滿；當水箱溫度低于設定溫度時，輔助熱源立即啟動，以保證水箱水溫始終為設定溫度。但以上控制方式可能導致冷水補滿水箱后，輔助熱源立即將水加熱，未考慮太陽能的利用情況，最終的結果是太陽能只能從設定溫度開始加熱，導致太陽能未起到應有的作用。

1.2 水箱水位控制粗放

目前，很多太陽能熱水工程控制系統的水箱水位都是按照20%、40%、60%、80%、100%這5個檔位界定，而不能精確地根據用戶的用水情況進行水位控制。比如，系統配置了10 t的水箱，根據統計，用戶晚上用水量為6.5 t，但系統按照80%的水位進行熱水制備，則默認為加熱8 t的熱水，剩余的熱水在夜里降溫，將造成熱量的浪費。

2 太陽能熱水工程高精度智能化控制系統

鑒于市場上大部分太陽能控制系統中存在的問題，在南京市第一醫院太陽能熱水工程的招標和建設過程中，要求供應廠家對太陽能熱水工程控制系統的邏輯控制程序進行全面升級，優化加熱方式和水箱水位控制方式，配置高精度的壓力傳感器和西門子PLC控制芯片，進行高精度智能化控制，以解決常規控制系統不能實現最大化利用太陽能的弊端，從而達到最優的節能效果。

2.1 系統運行原理圖

南京市第一醫院太陽能熱水工程高精度智能化控制系統的運行原理如圖1所示。

圖1 南京市第一醫院太陽能熱水工程高精度智能化控制系統原理圖

2.2 系統關鍵點控制方式

2.2.1 冷水補水電動閥控制

1)低水位保護控制：當集熱水箱水位S＜S1(最低水位下限)時，冷水補水電動閥開啟；當集熱水箱水位S≥S2(最低保持水位)時，冷水補水電動閥關閉。

2)分時段水位保持：系統根據用戶的用水規律，設置3個用水高峰供水時段，每個高峰時段對應可設置1個高峰時段要保持的水位S3(時段設置水位)。在該時段內，當集熱水箱水位S＜S3時，冷水補水電動閥開啟；當集熱水箱水位S≥S3時，冷水補水電動閥關閉。

3)全天候滿足供應熱水：當集熱水箱水位位置為S2≤S＜S3且集熱水箱當前溫度T2(集熱水箱默認設置溫度+2 ℃)≥62 ℃時，冷水補水電動閥開啟，系統開始補水，直至溫度降至設定溫度；當集熱水箱水位位置為S2≤S＜S3且T2≤60℃時，冷水補水電動閥關閉，等待系統加熱水箱至62 ℃。系統重復此過程，直至S≥S3時，冷水補水電動閥關閉，系統不再補水。

2.2.2 蒸汽輔助熱源的控制(按需自動開啟和閉合輔助熱源)

1)輔助熱源啟動控制：在當前時段保持水位的情況下，當熱水供水溫度低于設定溫度時，蒸汽輔助熱源自動啟動。

2)輔助熱源停止控制：在當前時段保持水位的情況下，當熱水供水溫度達到設定溫度時，蒸汽輔助熱源自動停止運行。

圖2 高精度智能化控制柜的外觀

圖3 高精度智能化控制柜的顯示界面

2.3 系統特點

1)通過高精度的水位控制，保證按需補水，而不是始終補滿水，從而保證每天盡量將水箱中經太陽能加熱后的熱水用完，以保證最大化地利用太陽能。

2)系統可實現輔助熱源按需啟動、按需加熱，用戶需要用多少水，輔助熱源就加熱多少水，最大限度地節約輔助熱源，從而提高太陽能的利用率。

3 建議

為了確保太陽能熱水工程在實際使用中能夠達到預期的設計效果，建議將太陽能熱水工程高精度智能化控制系統的控制與互聯網技術相結合，建立綜合的能源計量和監測平臺，以便對太陽能熱水工程的產熱量、節能量、運行電量、輔助能源消耗量、用水量等數據進行長期的跟蹤計量；并以此數據為依據，對系統的運行成本、節能效果、減排降耗、節約費用等方面進行綜合評價，從而可對系統控制參數進行進一步的修正和調整，最終保證太陽能熱水工程在實際使用過程中可以切實起到節能、減排、降耗的作用。

圖4 能源計量監測平臺PC 端顯示界面

4 結論

本文通過對南京市第一醫院太陽能熱水工程高精度智能化控制系統的分析，說明了太陽能熱水工程采用高精度智能化控制系統的重要性和必要性，其能夠實現穩定、安全、高效的控制目的，從而達到了最優化的節能效果，為今后太陽能熱水工程中控制系統的設計及應用提供了參考。