太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)節(jié)能控制

劉文龍，楊振東，劉素娟

(東北石油大學，河北 秦皇島 066004)

0 引言

太陽能是一種具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長久等優(yōu)點的可再生能源，既可免費使用，又無需運輸，已成為人們應(yīng)對能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇之一[1-2]。目前，太陽能的開發(fā)與利用日益成為世界各國關(guān)注的熱點，而太陽能熱水供給系統(tǒng)是太陽能技術(shù)應(yīng)用中普及率高、發(fā)展快、潛力大的太陽能產(chǎn)業(yè)[3-5]。由于在無光照的陰雨天或寒冷冬季，太陽能熱水器幾乎失去加熱能力，因此必須借助輔助熱源才能實現(xiàn)全天候供熱。在太陽能熱水供給系統(tǒng)中，采用輔助電加熱方法補充加熱以滿足正常供熱需求的太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)已經(jīng)成為主流[6-7]。太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)雖然已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但與其配套的控制技術(shù)還有待研究與改進。太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)的控制目標可歸結(jié)為兩個方面：一是供水量和水溫必須達到用戶要求；二是以太陽能加熱為主，電加熱為輔，最大限度地發(fā)揮太陽能加熱能力，有效減少電能消耗?，F(xiàn)有文獻[8]～文獻[10]中的控制方案均實現(xiàn)了上述第一項目標，而對第二項節(jié)能目標并沒有進行深入研究。本文圍繞某校太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)，采用西門子S7-200系列可編程序控制器(programmable logic controller，PLC)，設(shè)計一套太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)的節(jié)能控制方案，在確保供水量和水溫達到用戶要求的前提下，有效減少了電能消耗。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)是某校為教職工及學生提供洗浴用水的公用設(shè)施。其主要由太陽能集熱器、儲水塔、電鍋爐、管路、泵和閥等組成。熱水供給系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 熱水供給系統(tǒng)工藝流程圖

儲水罐用于存儲向用戶供應(yīng)的熱水；太陽能集熱器用于吸收太陽能熱量，對其內(nèi)部的冷水進行加熱，并通過運行循環(huán)泵1將其內(nèi)部的熱水換入儲水罐；電鍋爐用于在太陽能不足的情況下進行輔助加熱，并通過運行循環(huán)泵2將其內(nèi)部的熱水換入儲水罐；電磁閥用于實現(xiàn)儲水罐的自動上水；循環(huán)泵3用于向用戶供水。

為了實現(xiàn)對熱水供給系統(tǒng)的有效控制，選用西門子S7-200系列CPU222型PLC(120～240 V交流電源供電，本機8×24 V DC數(shù)字量輸入/6個繼電器輸出)作為控制器，并配備擴展模塊EM235(4路模擬量輸入/1路模擬量輸出)和TD200文本顯示器，設(shè)計熱水供給控制系統(tǒng)。熱水供給控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，溫度變送器選用Pt100熱電阻溫度變送器，分別檢測太陽能集熱器水溫(檢測位置見圖1中P1點)、回水溫度(檢測位置見圖1中P2點)和儲罐水溫(檢測位置見圖1中P3點)；液位變送器L選用1151系列壓力變送器，實現(xiàn)對儲罐水位的測量(檢測位置見圖1中L點)；擴展模塊EM235將各變送器輸出的4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給PLC；TD200文本顯示器用于顯示各種檢測參數(shù)的數(shù)值以及實現(xiàn)各種手動操作。

圖2 熱水供給控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 控制策略與軟件實現(xiàn)

太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)的控制內(nèi)容包括上水、太陽能循環(huán)與防凍、電加熱啟動與循環(huán)和供水四個部分。各部分采取的控制策略如下所示。

2.1 上水控制

學校每天向用戶供水的時間為19:00～21:30，因此每天供水結(jié)束后間隔5 min(即21:35)自動開啟電磁閥給儲罐上水，上至目標水位后自動停止?？紤]到除正常供水情況外，還存在一些其他因素會導致儲罐水位下降而低于目標值。為此，需要及時補水。具體方案為：在上水完成至供水開始前半小時(即18:30)內(nèi)，儲罐水位低于目標值的95%時自動開啟電磁閥補水；上至目標水位后，自動停止。用戶每天的用水量不是固定的。若為了滿足用戶的用水需求，而保守地將每天的目標水位均設(shè)定為滿刻度或者根據(jù)最大用水量確定，必然會出現(xiàn)儲罐熱水大量剩余的現(xiàn)象，最終造成熱量散失。通過對用水量進行詳細統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，每周同一天的用水量變化較小，一周內(nèi)各天的用水量相差較大。因此，可將每周同一天的目標水位設(shè)定為相同，而一周內(nèi)各天的目標水位依據(jù)第二天的用水量確定?，F(xiàn)行方案為：每周周一、周四、周五和周六晚儲罐的目標水位為90%，每周周二、周三和周日晚儲罐的目標水位為60%。這樣既能滿足用戶每天的用水需求，又能有效減少散熱損失。

2.2 太陽能循環(huán)與防凍控制

太陽能加熱工作時間為全天24 h，采取條件判斷重復運行方式。當太陽能集熱器水溫T1高于儲罐水溫T3一定值(現(xiàn)行值為5 ℃)，并且儲罐水位大于12%時，啟動循環(huán)泵1將太陽能集熱器中熱水換入儲罐；當太陽能集熱器水溫T1與儲罐水溫T3之差小于1 ℃，或者儲罐水位小于10%時，關(guān)閉循環(huán)泵1停止換熱。

冬季，由于室外溫度過低，太陽能管路容易被凍裂，因此必須采取防凍措施?，F(xiàn)行方案為：在冬季，當太陽能集熱器水溫T1或回水溫度T2低于3 ℃時，啟動循環(huán)泵1將儲罐熱水換入太陽能管路，提高其溫度進而防凍；當太陽能集熱器水溫T1和回水溫度T2均高于8 ℃時，關(guān)閉循環(huán)泵1停止防凍換熱。

2.3 電加熱啟動與循環(huán)控制

電鍋爐可運行時間為前天22:00至當天19:00(即前天供水結(jié)束至當天供水開始)，采取條件判斷重復運行方式?？紤]適合人體洗浴的最佳水溫范圍為35～37 ℃，因此儲罐水溫的最終目標值確定為36 ℃左右，并以1 h作為時間間隔、1.2 ℃(電加熱能力為平均每小時約1.2 ℃)作為遞增值制成一條目標溫度曲線。儲罐水溫目標曲線如圖3所示。為了避免儲罐水溫波動導致電鍋爐和循環(huán)泵頻繁啟停，降低其使用壽命，設(shè)定目標溫度曲線具有上下各0.5 ℃的回差。具體控制方案為：當儲罐水位大于12%，并且儲罐水溫低于此時目標曲線溫度值與回差的差值時，接通電加熱器同時啟動循環(huán)泵2，使電鍋爐的加熱過程與儲罐間的換熱過程同時進行；當儲罐水位小于10%，或儲罐水溫高于此時目標曲線溫度值與回差的和時，在切斷電加熱器的同時關(guān)閉循環(huán)泵2停止循環(huán)換熱。

圖3 儲罐水溫目標曲線

2.4 供水控制

每天19:00啟動循環(huán)泵3向用戶供水，在21:30或儲罐水位降至10%時，關(guān)閉循環(huán)泵3停止供水。

上述控制策略均需要采用step7/MicroWin軟件編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)。

3 運行與節(jié)能效果分析

3.1 運行效果分析

系統(tǒng)實際運行結(jié)果表明，每天的儲罐上水量和供水溫度均能滿足用戶需求，并且平均每天的電加熱時間較短，電能消耗較少。3月份某一周的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 節(jié)能效果分析

節(jié)能控制必須在確保供水量和供水溫度滿足用戶需求才有意義，即充分發(fā)揮太陽能的加熱能力，盡可能減少電能消耗。下面在指出兩種常規(guī)控制方案不足的基礎(chǔ)上，分析本文控制方案。

方案一 在供水開始前選擇一個合適的時間點，判斷該時間點處儲罐水溫是否達到預定數(shù)值。若未達到，表明太陽能不足，即啟動電加熱進行補充。如果在所選時間點處儲罐水溫達到預定數(shù)值未啟動電加熱，而之后由于天氣的多變性轉(zhuǎn)為陰天，會造成供水溫度達不到用戶要求；若在所選時間點處儲罐水溫未達到預定數(shù)值啟動電加熱，而之后天氣轉(zhuǎn)為晴天，可能造成電能浪費。

方案二 每天定時啟動電加熱并持續(xù)運行，直至儲罐水溫達到目標值。這樣雖能確保陰天情況下供水溫度達到用戶要求，但晴天情況下電能浪費嚴重。

上述兩種方案的問題在于沒能使陰天供水溫度滿足用戶和節(jié)能的要求。本文提出一種折中的控制方案解決此問題。為了確保陰天儲罐水溫達到用戶要求，即避免熱量補充不及時，將電加熱的可運行時間范圍擴大為整個非供水期間。在此期間內(nèi)，若將儲罐的目標水溫設(shè)定為恒值，必然會造成和方案二一樣的結(jié)果。為此，在測定電鍋爐加熱能力的基礎(chǔ)上，將儲罐水溫的目標設(shè)定為一條以1 h作為時間間隔、近似以36 ℃作為終值的遞增曲線。此方案既能保證在陰天情況下只靠電加熱，也能使儲罐水溫達到目

標滿足用戶要求，又能在晴天情況下將電加熱的目標按小時分散開。這相當于減緩了電加熱的執(zhí)行速度，為太陽能加熱留出充分時間，從而有效減少電能消耗。

4 結(jié)論

太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能熱利用的主要方式。由于太陽能隨著天氣變化而具有不確定性和可變性，通常需要配備輔助能源實現(xiàn)聯(lián)合加熱確保熱水供給的可靠性。本文針對太陽能輔助電加熱聯(lián)合熱水供給系統(tǒng)，在確保供水量和水溫滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，提出了一種節(jié)能控制方案。根據(jù)實際用水量確定儲罐的上水量，減少了散熱損失；將儲罐的目標水溫設(shè)定為一條遞增形式的溫度曲線，充分發(fā)揮太陽能加熱能力，有效降低了電能消耗。系統(tǒng)實際應(yīng)用驗證了控制方案的有效性和實用性。該研究結(jié)果為太陽能與輔助能源聯(lián)合供熱系統(tǒng)節(jié)能控制的深入研究和應(yīng)用提供了重要參考。