太阳能辅助电加热联合热水供给系统节能控制

刘文龙，杨振东，刘素娟

(东北石油大学，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

太阳能是一种具有清洁、环保、持续、长久等优点的可再生能源，既可免费使用，又无需运输，已成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一[1-2]。目前，太阳能的开发与利用日益成为世界各国关注的热点，而太阳能热水供给系统是太阳能技术应用中普及率高、发展快、潜力大的太阳能产业[3-5]。由于在无光照的阴雨天或寒冷冬季，太阳能热水器几乎失去加热能力，因此必须借助辅助热源才能实现全天候供热。在太阳能热水供给系统中，采用辅助电加热方法补充加热以满足正常供热需求的太阳能辅助电加热联合热水供给系统已经成为主流[6-7]。太阳能辅助电加热联合热水供给系统虽然已经得到广泛应用，但与其配套的控制技术还有待研究与改进。太阳能辅助电加热联合热水供给系统的控制目标可归结为两个方面：一是供水量和水温必须达到用户要求；二是以太阳能加热为主，电加热为辅，最大限度地发挥太阳能加热能力，有效减少电能消耗。现有文献[8]～文献[10]中的控制方案均实现了上述第一项目标，而对第二项节能目标并没有进行深入研究。本文围绕某校太阳能辅助电加热联合热水供给系统，采用西门子S7-200系列可编程序控制器(programmable logic controller，PLC)，设计一套太阳能辅助电加热联合热水供给系统的节能控制方案，在确保供水量和水温达到用户要求的前提下，有效减少了电能消耗。

1 控制系统的硬件设计

太阳能辅助电加热联合热水供给系统是某校为教职工及学生提供洗浴用水的公用设施。其主要由太阳能集热器、储水塔、电锅炉、管路、泵和阀等组成。热水供给系统工艺流程如图1所示。

图1 热水供给系统工艺流程图

储水罐用于存储向用户供应的热水；太阳能集热器用于吸收太阳能热量，对其内部的冷水进行加热，并通过运行循环泵1将其内部的热水换入储水罐；电锅炉用于在太阳能不足的情况下进行辅助加热，并通过运行循环泵2将其内部的热水换入储水罐；电磁阀用于实现储水罐的自动上水；循环泵3用于向用户供水。

为了实现对热水供给系统的有效控制，选用西门子S7-200系列CPU222型PLC(120～240 V交流电源供电，本机8×24 V DC数字量输入/6个继电器输出)作为控制器，并配备扩展模块EM235(4路模拟量输入/1路模拟量输出)和TD200文本显示器，设计热水供给控制系统。热水供给控制系统硬件结构如图2所示。其中，温度变送器选用Pt100热电阻温度变送器，分别检测太阳能集热器水温(检测位置见图1中P1点)、回水温度(检测位置见图1中P2点)和储罐水温(检测位置见图1中P3点)；液位变送器L选用1151系列压力变送器，实现对储罐水位的测量(检测位置见图1中L点)；扩展模块EM235将各变送器输出的4～20 mA电流信号转换为数字量送给PLC；TD200文本显示器用于显示各种检测参数的数值以及实现各种手动操作。

图2 热水供给控制系统硬件结构图

2 控制策略与软件实现

太阳能辅助电加热联合热水供给系统的控制内容包括上水、太阳能循环与防冻、电加热启动与循环和供水四个部分。各部分采取的控制策略如下所示。

2.1 上水控制

学校每天向用户供水的时间为19:00～21:30，因此每天供水结束后间隔5 min(即21:35)自动开启电磁阀给储罐上水，上至目标水位后自动停止。考虑到除正常供水情况外，还存在一些其他因素会导致储罐水位下降而低于目标值。为此，需要及时补水。具体方案为：在上水完成至供水开始前半小时(即18:30)内，储罐水位低于目标值的95%时自动开启电磁阀补水；上至目标水位后，自动停止。用户每天的用水量不是固定的。若为了满足用户的用水需求，而保守地将每天的目标水位均设定为满刻度或者根据最大用水量确定，必然会出现储罐热水大量剩余的现象，最终造成热量散失。通过对用水量进行详细统计和分析发现，每周同一天的用水量变化较小，一周内各天的用水量相差较大。因此，可将每周同一天的目标水位设定为相同，而一周内各天的目标水位依据第二天的用水量确定。现行方案为：每周周一、周四、周五和周六晚储罐的目标水位为90%，每周周二、周三和周日晚储罐的目标水位为60%。这样既能满足用户每天的用水需求，又能有效减少散热损失。

2.2 太阳能循环与防冻控制

太阳能加热工作时间为全天24 h，采取条件判断重复运行方式。当太阳能集热器水温T1高于储罐水温T3一定值(现行值为5 ℃)，并且储罐水位大于12%时，启动循环泵1将太阳能集热器中热水换入储罐；当太阳能集热器水温T1与储罐水温T3之差小于1 ℃，或者储罐水位小于10%时，关闭循环泵1停止换热。

冬季，由于室外温度过低，太阳能管路容易被冻裂，因此必须采取防冻措施。现行方案为：在冬季，当太阳能集热器水温T1或回水温度T2低于3 ℃时，启动循环泵1将储罐热水换入太阳能管路，提高其温度进而防冻；当太阳能集热器水温T1和回水温度T2均高于8 ℃时，关闭循环泵1停止防冻换热。

2.3 电加热启动与循环控制

电锅炉可运行时间为前天22:00至当天19:00(即前天供水结束至当天供水开始)，采取条件判断重复运行方式。考虑适合人体洗浴的最佳水温范围为35～37 ℃，因此储罐水温的最终目标值确定为36 ℃左右，并以1 h作为时间间隔、1.2 ℃(电加热能力为平均每小时约1.2 ℃)作为递增值制成一条目标温度曲线。储罐水温目标曲线如图3所示。为了避免储罐水温波动导致电锅炉和循环泵频繁启停，降低其使用寿命，设定目标温度曲线具有上下各0.5 ℃的回差。具体控制方案为：当储罐水位大于12%，并且储罐水温低于此时目标曲线温度值与回差的差值时，接通电加热器同时启动循环泵2，使电锅炉的加热过程与储罐间的换热过程同时进行；当储罐水位小于10%，或储罐水温高于此时目标曲线温度值与回差的和时，在切断电加热器的同时关闭循环泵2停止循环换热。

图3 储罐水温目标曲线

2.4 供水控制

每天19:00启动循环泵3向用户供水，在21:30或储罐水位降至10%时，关闭循环泵3停止供水。

上述控制策略均需要采用step7/MicroWin软件编写PLC程序实现。

3 运行与节能效果分析

3.1 运行效果分析

系统实际运行结果表明，每天的储罐上水量和供水温度均能满足用户需求，并且平均每天的电加热时间较短，电能消耗较少。3月份某一周的系统运行数据统计如表1所示。

表1 系统运行数据统计

3.2 节能效果分析

节能控制必须在确保供水量和供水温度满足用户需求才有意义，即充分发挥太阳能的加热能力，尽可能减少电能消耗。下面在指出两种常规控制方案不足的基础上，分析本文控制方案。

方案一 在供水开始前选择一个合适的时间点，判断该时间点处储罐水温是否达到预定数值。若未达到，表明太阳能不足，即启动电加热进行补充。如果在所选时间点处储罐水温达到预定数值未启动电加热，而之后由于天气的多变性转为阴天，会造成供水温度达不到用户要求；若在所选时间点处储罐水温未达到预定数值启动电加热，而之后天气转为晴天，可能造成电能浪费。

方案二 每天定时启动电加热并持续运行，直至储罐水温达到目标值。这样虽能确保阴天情况下供水温度达到用户要求，但晴天情况下电能浪费严重。

上述两种方案的问题在于没能使阴天供水温度满足用户和节能的要求。本文提出一种折中的控制方案解决此问题。为了确保阴天储罐水温达到用户要求，即避免热量补充不及时，将电加热的可运行时间范围扩大为整个非供水期间。在此期间内，若将储罐的目标水温设定为恒值，必然会造成和方案二一样的结果。为此，在测定电锅炉加热能力的基础上，将储罐水温的目标设定为一条以1 h作为时间间隔、近似以36 ℃作为终值的递增曲线。此方案既能保证在阴天情况下只靠电加热，也能使储罐水温达到目

标满足用户要求，又能在晴天情况下将电加热的目标按小时分散开。这相当于减缓了电加热的执行速度，为太阳能加热留出充分时间，从而有效减少电能消耗。

4 结论

太阳能热水系统是太阳能热利用的主要方式。由于太阳能随着天气变化而具有不确定性和可变性，通常需要配备辅助能源实现联合加热确保热水供给的可靠性。本文针对太阳能辅助电加热联合热水供给系统，在确保供水量和水温满足用户需求的基础上，提出了一种节能控制方案。根据实际用水量确定储罐的上水量，减少了散热损失；将储罐的目标水温设定为一条递增形式的温度曲线，充分发挥太阳能加热能力，有效降低了电能消耗。系统实际应用验证了控制方案的有效性和实用性。该研究结果为太阳能与辅助能源联合供热系统节能控制的深入研究和应用提供了重要参考。