山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 呂帥

1 引言

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是目前最成熟的太陽(yáng)能利用技術(shù)之一，具有運(yùn)行成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)；但其利用效率受天氣狀況的影響，在陰雨天或者陽(yáng)光較弱時(shí)難以滿足熱水需求，需要增加輔助熱源實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行?？諝庠礋岜靡原h(huán)境空氣作為低溫?zé)嵩?，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)；以空氣源熱泵輔助的太陽(yáng)能熱水機(jī)組，可以在太陽(yáng)能不足的時(shí)候利用空氣能制熱水，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的全天候穩(wěn)定運(yùn)行。

空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵是自動(dòng)控制太陽(yáng)能與空氣能之間的能量匹配，實(shí)現(xiàn)最大限度的太陽(yáng)能熱利用。目前空氣源熱泵的啟動(dòng)主要根據(jù)水箱內(nèi)的水溫，沒有綜合考慮光照、水箱水量、用水狀況等因素的影響，降低了太陽(yáng)能的利用效率。本文以某高校洗浴中心的空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組為研究對(duì)象，綜合考慮外部光照條件、水箱溫度、用水時(shí)段等多種因素，設(shè)計(jì)空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組全天候自動(dòng)運(yùn)行，有效節(jié)約了能源。

2 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組工作原理

空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組的工作原理如圖1所示，該機(jī)組包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、水箱自動(dòng)上水系統(tǒng)、用戶供水系統(tǒng)、防凍循環(huán)系統(tǒng)五個(gè)部分。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組工作原理

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用平板式集熱器吸收太陽(yáng)能加熱工質(zhì)，當(dāng)集熱器出口溫度T1與換熱器水溫T2的溫差達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的啟動(dòng)溫差ΔT1時(shí)，即T1-T2≥ΔTs1啟動(dòng)循環(huán)泵P1開始溫差循環(huán)；當(dāng)二者溫差值降低到系統(tǒng)設(shè)定停止溫差ΔT2時(shí)，即T1-T2≤ΔT2，停止循環(huán)泵P1；通過太陽(yáng)能集熱器與水箱之間的溫差循環(huán)，不斷將集熱器吸收的太陽(yáng)能熱量傳遞到水箱，使水箱中的水溫度逐漸升高達(dá)到洗浴要求的溫度。

2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)

當(dāng)陰雨天光照不足或晚上沒有光照時(shí)，單純依靠太陽(yáng)能無法滿足熱水溫度(如45℃)要求，此時(shí)需要開啟輔助熱源空氣源熱泵進(jìn)行加熱?？諝庠礋岜貌捎玫氖嵌囟妊h(huán)系統(tǒng)，當(dāng)水溫T2低于設(shè)定溫度(如45℃)時(shí)，根據(jù)光照強(qiáng)度、水箱水位等多種條件自動(dòng)啟動(dòng)空氣源熱泵對(duì)水箱中的水加熱，當(dāng)水溫T2達(dá)到設(shè)定溫度(如60℃)后，空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行停止。

2.3 水箱自動(dòng)上水系統(tǒng)

熱水機(jī)組的自動(dòng)上水系統(tǒng)主要根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和用戶用水情況自動(dòng)進(jìn)行：（1）當(dāng)處于用水高峰的時(shí)間段，且太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度低于某一值時(shí)，此時(shí)應(yīng)用空氣源熱泵加熱，保持水箱的水位在滿水位的40%～60%，即水位低于40%時(shí)自動(dòng)上水，水位達(dá)到60%時(shí)停止上水；（2）太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度大時(shí)，保持水箱的水位在70%～100%，在該時(shí)間段充分利用太陽(yáng)能加熱熱水。

2.4 用戶供水系統(tǒng)

用戶供水系統(tǒng)是進(jìn)行變頻恒壓供水，根據(jù)用戶的用水量自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證熱水使用時(shí)是恒壓供水。

2.5 防凍循環(huán)系統(tǒng)

室外管道(集熱水箱和集熱器之間)在寒冷的冬天可能被凍，因此必須有防凍循環(huán)功能；當(dāng)集熱器溫度(檢測(cè)傳感器測(cè)溫)T5≤5℃時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵P2和P3，進(jìn)行空氣源熱泵系統(tǒng)和用戶供水系統(tǒng)的防凍循環(huán)，防止管路結(jié)凍。

3 熱水機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組的控制系統(tǒng)以臺(tái)達(dá)PLC為核心，主要實(shí)現(xiàn)溫度、水位、壓力、功率等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，PLC控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。圖中，T為溫度傳感器Pt100，其中T1檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器出口溫度，T2檢測(cè)水箱的水溫，T3檢測(cè)管道溫度；h為投入式靜壓水位傳感器，檢測(cè)水箱的水位高度；Q為流量傳感器，檢測(cè)用水的流量；P1與P2為功率變送器，分別檢測(cè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和熱泵熱水系統(tǒng)消耗的功率。溫度信號(hào)采用DVP04Pt模塊采集，對(duì)應(yīng)檢測(cè)范圍為0～600℃，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)為0～6000。水位、流量等傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA，采用DVP04AD模塊采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)為0～8000?？刂葡到y(tǒng)的輸出采用繼電器輸出方式，根據(jù)各傳感信號(hào)控制循環(huán)泵1、泵2、熱泵以及上水電動(dòng)閥的啟停。

圖2 PLC控制系統(tǒng)的原理圖

3.2 熱水機(jī)組控制策略研究

（1）溫度控制策略

空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水機(jī)組的溫度控制是通過集熱器與水箱的溫差循環(huán)，以及空氣源熱泵的輔助加熱，實(shí)現(xiàn)水箱的水溫大于某設(shè)定溫度(如45℃)?？刂撇呗詧D如圖3所示。

圖3 溫度控制策略

（2）水位控制策略

熱水機(jī)組的自動(dòng)上水根據(jù)時(shí)間和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分為兩種情況：（1）處于用水高峰的時(shí)間段(16:00～20:00)時(shí)，水箱的水位保持在30%～60%，即水位低于30%時(shí)自動(dòng)上水，水位達(dá)到60%時(shí)停止上水；（2）其他時(shí)間段水箱的水位保持在60%～100%。

3.3 觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏選用DVP-B07S411，與PLC通過串行通訊接口RS485進(jìn)行通訊，PLC與觸摸屏之間的傳輸速率為19.2Kbps。系統(tǒng)的被控量有水箱的液位、壓力、溫度，管道溫度，光照強(qiáng)度，功率等。所有的被控量都通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控主頁(yè)面如圖4所示。

圖4 主控界面

主控界面還包括溫度顯示畫面、液位顯示畫面、報(bào)警畫面、PLC監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置頁(yè)面、HMI設(shè)置、屏幕保護(hù)程序等實(shí)時(shí)監(jiān)控更改系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水機(jī)組是一種新型節(jié)能產(chǎn)品，以太陽(yáng)能和環(huán)境空氣作為熱源，可以取之不盡，用之不竭，是一種可替代鍋爐的供暖設(shè)備和熱水裝置。試驗(yàn)分析了太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水機(jī)組的工作原理，應(yīng)用PLC設(shè)計(jì)了該臺(tái)熱水機(jī)組的控制系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的自動(dòng)采集與處理、補(bǔ)水及溫差的自動(dòng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了熱水機(jī)組的全自動(dòng)運(yùn)行，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)其他控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。