高精度智能化控制系统在太阳能热水工程中的实际应用

南京市第一医院 ■ 李瑾

0 引言

控制系统是太阳能热水工程的核心组成部分，会直接影响太阳能热水工程后期运行的稳定性、利用效率及节能效果。随着国内公共建筑屋顶太阳能热水工程的普及，大量粗放式控制系统被使用，导致很多太阳能热水工程并未达到预期的节能效果。因此，在选用太阳能热水工程控制系统时，需要充分考虑用户的实际用水特点，科学设计控制系统的加热控制方式，并选用高精度数据采集元件，编制科学合理的逻辑程序，以实现稳定、安全、高效的控制目的，从而达到最优化的节能效果。

本文介绍了应用于南京市第一医院太阳能热水工程的高精度智能化控制系统，并与常规控制系统的优劣进行了对比分析，以说明太阳能热水工程采用高精度智能化控制系统的重要性和必要性。

1 常规控制系统中普遍存在的问题

由于太阳能热水工程会受阴雨天气的影响，所以在项目设计、建设和运行阶段，需要配置辅助热源，并通过控制系统对整套设备进行控制管理。但目前太阳能热水工程控制系统普遍存在加热方式与水箱水位控制粗放的问题，未能实现太阳能系统的最大化利用。

1.1 加热方式控制粗放

太阳能热水工程控制系统对辅助加热设备控制不合理，未实现优先利用太阳能，从而导致太阳能无法被最大化利用。例如，常规控制系统的控制方式为：当水箱水位低于满水位时，冷水自动补水，直至水箱水满；当水箱温度低于设定温度时，辅助热源立即启动，以保证水箱水温始终为设定温度。但以上控制方式可能导致冷水补满水箱后，辅助热源立即将水加热，未考虑太阳能的利用情况，最终的结果是太阳能只能从设定温度开始加热，导致太阳能未起到应有的作用。

1.2 水箱水位控制粗放

目前，很多太阳能热水工程控制系统的水箱水位都是按照20%、40%、60%、80%、100%这5个档位界定，而不能精确地根据用户的用水情况进行水位控制。比如，系统配置了10 t的水箱，根据统计，用户晚上用水量为6.5 t，但系统按照80%的水位进行热水制备，则默认为加热8 t的热水，剩余的热水在夜里降温，将造成热量的浪费。

2 太阳能热水工程高精度智能化控制系统

鉴于市场上大部分太阳能控制系统中存在的问题，在南京市第一医院太阳能热水工程的招标和建设过程中，要求供应厂家对太阳能热水工程控制系统的逻辑控制程序进行全面升级，优化加热方式和水箱水位控制方式，配置高精度的压力传感器和西门子PLC控制芯片，进行高精度智能化控制，以解决常规控制系统不能实现最大化利用太阳能的弊端，从而达到最优的节能效果。

2.1 系统运行原理图

南京市第一医院太阳能热水工程高精度智能化控制系统的运行原理如图1所示。

图1 南京市第一医院太阳能热水工程高精度智能化控制系统原理图

2.2 系统关键点控制方式

2.2.1 冷水补水电动阀控制

1)低水位保护控制：当集热水箱水位S＜S1(最低水位下限)时，冷水补水电动阀开启；当集热水箱水位S≥S2(最低保持水位)时，冷水补水电动阀关闭。

2)分时段水位保持：系统根据用户的用水规律，设置3个用水高峰供水时段，每个高峰时段对应可设置1个高峰时段要保持的水位S3(时段设置水位)。在该时段内，当集热水箱水位S＜S3时，冷水补水电动阀开启；当集热水箱水位S≥S3时，冷水补水电动阀关闭。

3)全天候满足供应热水：当集热水箱水位位置为S2≤S＜S3且集热水箱当前温度T2(集热水箱默认设置温度+2 ℃)≥62 ℃时，冷水补水电动阀开启，系统开始补水，直至温度降至设定温度；当集热水箱水位位置为S2≤S＜S3且T2≤60℃时，冷水补水电动阀关闭，等待系统加热水箱至62 ℃。系统重复此过程，直至S≥S3时，冷水补水电动阀关闭，系统不再补水。

2.2.2 蒸汽辅助热源的控制(按需自动开启和闭合辅助热源)

1)辅助热源启动控制：在当前时段保持水位的情况下，当热水供水温度低于设定温度时，蒸汽辅助热源自动启动。

2)辅助热源停止控制：在当前时段保持水位的情况下，当热水供水温度达到设定温度时，蒸汽辅助热源自动停止运行。

图2 高精度智能化控制柜的外观

图3 高精度智能化控制柜的显示界面

2.3 系统特点

1)通过高精度的水位控制，保证按需补水，而不是始终补满水，从而保证每天尽量将水箱中经太阳能加热后的热水用完，以保证最大化地利用太阳能。

2)系统可实现辅助热源按需启动、按需加热，用户需要用多少水，辅助热源就加热多少水，最大限度地节约辅助热源，从而提高太阳能的利用率。

3 建议

为了确保太阳能热水工程在实际使用中能够达到预期的设计效果，建议将太阳能热水工程高精度智能化控制系统的控制与互联网技术相结合，建立综合的能源计量和监测平台，以便对太阳能热水工程的产热量、节能量、运行电量、辅助能源消耗量、用水量等数据进行长期的跟踪计量；并以此数据为依据，对系统的运行成本、节能效果、减排降耗、节约费用等方面进行综合评价，从而可对系统控制参数进行进一步的修正和调整，最终保证太阳能热水工程在实际使用过程中可以切实起到节能、减排、降耗的作用。

图4 能源计量监测平台PC 端显示界面

4 结论

本文通过对南京市第一医院太阳能热水工程高精度智能化控制系统的分析，说明了太阳能热水工程采用高精度智能化控制系统的重要性和必要性，其能够实现稳定、安全、高效的控制目的，从而达到了最优化的节能效果，为今后太阳能热水工程中控制系统的设计及应用提供了参考。