一種強制循環太陽能熱水系統的流量控制方法探討

楊一棟

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730046）

甘肅省年太陽能總儲量為72 萬億kW，是我國第二大太陽能資源豐富區，有巨大的開發利用潛力[1]。太陽能熱水系統具有良好的穩定性、經濟性和環保性，是主要的太陽能熱利用方式，從戶用太陽能熱水器到中、大型太陽能熱水系統都得到了廣泛應用。強制循環式太陽能熱水系統因集熱效率較高而備受用戶信賴，其中循環水泵是熱量傳輸的關鍵設備,也是系統日常運行耗電最多的設備,因此，循環水泵的耗電量直接關系到整個太陽能熱水系統的運行成本。

本文針對強制循環太陽能熱水系統的流量恒定循環易造成常規電能浪費的問題，基于PLC（可編程控制器）的模糊PID 控制和變頻調速技術，提出一種隨著不同太陽輻射值動態變化的強制循環太陽能熱水流量控制方法，使循環水泵的功率按照“實時、可調、智能”的工況優化運行，提高系統的集熱效率，使節能技術更加節能。

1 現有太陽能熱水系統的流量控制方法分析

1.1 現有系統流量控制方法

強制循環太陽能熱水系統中循環流量參數至為關鍵，直接影響系統的效率，同時需要考慮季節、天氣、時刻和地域等因素。目前廣泛應用的太陽能熱水系統的控制部分不能同步季節或每日太陽輻照度的實時變化。系統的流量控制方法有以下3 種：

（1）時間控制方式即控制系統設定好時間，循環水泵白天開啟晚上關閉，這種方式水泵運行與太陽輻射強度、日照、集熱器溫度無關，即使在陰雨天氣情況下也是固定運轉。

（2）溫差控制方式是利用集熱器和儲熱水箱的溫差控制，當溫差小于設定值時，循環水泵不啟動，集熱器和儲熱水箱不換熱，當溫差大于設定值時循環水泵啟動，集熱器和儲熱水箱換熱，如此不斷循環換熱。

（3）光控控制方式是采用光控裝置檢測太陽輻射強度來控制水泵的開啟和停止，當低于設定光控儀閾值水泵停止，高于光控儀設定閾值水泵啟動，水泵轉速和流量不會隨每天不同時段太陽輻射強度的變化而變化。

1.2 現有系統流量控制方法的局限性

（1）時間控制方式采用時間繼電器和中間繼電器組合控制，只是單純的時間控制，即白天運行和夜晚停止，循環水泵流量的設計按全年太陽輻射平均值選取，致使循環水泵運行與日照、太陽輻射強度及集熱器得熱量無關，常常在日照較弱或無日照的陰雨天情況下也按額定轉速運行水泵，造成無效運行，浪費電能，或者使熱水系統效率降低。

（2）溫差控制方式是利用集熱器和水箱溫差控制，當溫差小于設定值時，循環水泵不啟動，當溫差大于設定值時循環水泵啟動，使集熱器和儲熱裝置換熱，這種控制方式室外布置測點較多，控制復雜，故障率高，水泵頻繁啟停，控制不夠精細，系統節能效果一般。

（3）光控控制方式是應用光控裝置檢測太陽輻照度來控制水泵的開啟和停止，當太陽輻照度低于設定光控儀閾值時水泵停止，高于光控儀設定閾值時水泵啟動，光控儀只檢測太陽輻射強度，與繼電器配合控制水泵開啟和停止，在開啟的閾值范圍值中，水泵一直固定轉速運行，雖然解決了太陽輻照度過小時停止運行，減少無效或效率太低運行情況，但啟動運行后水泵轉速和流量不會隨太陽輻照度實時變化，水泵不能變速運行，導致運行能耗也較大。

有學者提出在終端配水點處加設簡易的水流指示器，或在最不利配水點安設感溫元件來自動控制循環水泵啟停[2]；也有學者研究了光伏直驅式熱水系統流量模型特性，并得知光伏分組連接方式可作為熱水系統首選的連接方式[3]，但當前未有將太陽輻射變化同光控技術、PLC 以及變頻調速等技術融合一起來控制循環泵調節換熱流量的設計方法。強制循環太陽能熱水系統中水泵的流量和太陽輻射強度有最佳對應關系，太陽能熱水系統的進出水溫差直接反映太陽輻射強度，根據不同溫差讓水泵轉速變化，讓水泵流量與每天不同太陽輻射強度相適應，工作在最經濟的工況下就會有明顯的節能效果。

2 一種新的流量控制方法

2.1 流量控制方法思路

本文提出的流量控制設計方法是針對現有技術的不足，基于太陽輻射隨季節和每天時刻在不斷變化，利用太陽輻射和供回水溫度之間的邏輯關系，通過檢測供回水溫度，使系統換熱流量隨太陽輻射實時變化的一種適用于強制循環太陽能熱水系統的流量控制設計方法。如圖1 所示。

圖1 太陽能熱水系統示意圖

本方法通過檢測供回水的溫度，分析設定值與實際接收的檢測值信號偏差以及偏差的變化率，應用模糊PID 參數控制算法，經模糊推理，獲得相應的輸出變量，再用該參數精確地控制變頻器輸出，水泵轉速改變，循環流量隨輸出變化，水泵功率隨之變化，太陽能熱水系統控制更加精準，提高太陽能熱水系統的熱效率，改善循環水泵全天定功率運行的工況，達到節約電能效果。

2.2 流量控制方法的結構

本設計結構是利用光電轉換、PLC（可編程控制器，含模糊PID 控制單元模塊）和變頻調速技術的集成。在控制系統中配備光控探頭，接收不同強度的太陽輻射后把光信號轉換成不同電信號傳給控制系統，應用控制系統中的PLC 開定時控制和關量功能，按設定的時間和太陽輻射強度值（閾值），聯合控制系統每天的啟停時間。如圖2 所示。

圖2 流量控制方法結構簡圖

閾值達到系統開啟期間，在閉環模糊PID 控制單元中，檢測太陽能熱水系統的供水和回水溫度，得到供回水溫差值，將供回水溫度的溫差作為模糊PID 控制的輸入量，在采樣周期內計算出設定值和實測溫差值的偏差和偏差變化率，經模糊推理獲得相應輸出變量參數，用該參數控制系統輸出，從而控制變頻器和電動機轉速，調節循環水泵的輸出流量，改變被控水泵的功率，降低水泵能耗。

2.3 流量控制結構的實現

當光敏探頭接收太陽輻射，經過變送器得到不同太陽輻照度下的不同強度信號，完成太陽輻射的采集，轉化成不同電流。不同電流輸入PLC，依靠PLC 開關量和定時控制功能，控制系統可以使太陽輻射強度達不到設定值（閾值）時，水泵不啟動，達到設定值（閾值）時啟動。如圖3 所示。

圖3 模糊PID 流量控制結構原理圖

達到設定值（閾值）系統啟動時，PLC 內置閉環模糊PID 控制單元模塊，模糊PID 控制單元設定值是太陽能熱水系統設計供回水溫差信號值r，由于太陽輻照度變化，在不同輻照度下實際監測供回水差值不同，溫度監測器檢測太陽能熱水系統的供回水溫度變化，得到實際供回水監測溫差信號值為反饋值y，反饋給模糊控制系統得到設定值和監測值得計算偏差e=r-y，采用二維模糊控制，模糊PID 控制單元模塊的輸入值為偏差值e和偏差的變化率ec=de/dt，應用模糊PID 參數控制算法，經模糊推理獲得相應輸出變量參數u，再用該參數精確地控制系統輸出，即控制PWM 電路的占空比，從而得到相應的4～20mA 控制電流輸入到變頻器，控制變頻器頻率和電機轉速，既控制循環水泵轉速，在保持設定揚程下，循環水泵的流量變化，循環水泵功率隨之變化。變頻控制器在調速范圍內調整水泵轉速，達到調節循環泵的流量目的。

3 結束語

本文中強制循環太陽能熱水系統中水泵的流量和太陽輻射強度有最佳對應關系，太陽能熱水系統的進出水溫差直接反映太陽輻射強度，根據不同溫差讓水泵轉速變化，使水泵流量與實時太陽輻射值相匹配，熱水系統工作在最優化的工況下，同時，兼顧熱水系統選型、管路安裝和系統連接等因素，在系統設計、安裝和運行維護等環節綜合考慮此項太陽能熱利用技術的節能與節水。

隨著我國建筑節能技術的不斷進步，綠色、生態成為建筑技術的發展趨勢，建筑設備的智能化是建筑節能技術的重要組成部分，不斷完善建筑中應用太陽能等可再生能源技術的能源管理監管系統，為實現綠色、環保的建筑提供有力的技術支撐。