北方地区太阳能热水工程控制系统设计与应用
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摘要：该文立足于太阳能热水工程实际，根据北方高寒地区的气候与环境特点，结合多年的太阳能热水工程设计经验，以太阳能热水工程的控制系统为研究对象，研究了控制系统的组成结构、控制信号、控制方式，设计了适合北方高寒地区的太阳能热水工程全功能自动控制系统，并将其应用于实际工程。
关键词：控制系统；控制方式；自动控制；太阳能；热水工程
中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1149-02
太阳能是典型的绿色可再生能源，研究、开发与应用太阳能资源具有全球性的战略意义。在太阳能资源的应用中，太阳能热水项目是目前技术比较成熟、经济效益较高、环保效益与社会效益较好的项目。随着太阳能热水的广泛使用，市场对太阳能热水的系统特别是控制系统提出了越来越高的要求。该文以太阳能热水工程的控制系统作为研究对象，根据北方高寒地区气候特点和多年的工程设计、施工、维护经验，切合市场反应及用户需求研究、设计了太阳能热水工程控制系统。
1 太阳能热水工程概述
太阳能热水工程是利用太阳能集热器收集太阳能量，通过循环系统，将太阳能集热器的热量传递给水，将水加热后根据控制系统的数据设定收集存储于储热单元中，为用户提供所需要的热水。当天气条件影响或其他原因使得系统储存热水不能满足供热指标时，可以通过辅助热源系统加热使水温提高供用户使用。为了减少管路热损失，防止恶劣天气条件管路冻堵，改善热效，北方高寒地区还要有相应的保温防冻系统。太阳能热水工程主要由控制系统、集热系统、储热水箱、循环系统、辅助热源、保温防冻系统等部分组成，见图1。集热系统是太阳能系统的能量积累转换中心，其接收太阳辐射的能量，并将太阳的辐射能量转化为水的热能。储热水箱将太阳能所产热水集中存储，并通过管路供应至用水单元。循环系统是集热器至储热水箱及辅助热源至储热水箱的循环管道以及相关的水泵、电磁阀门等。辅助热源主要是在太阳能产热水能力供不应求时辅助加热。北方高寒地区太阳能还需要有保温防冻系统和，以减少管路热量损失，防止低温冻堵，保证系统在高寒条件下正常运行。
图1 太阳能热水工程系统组成
2 控制系统设计
2.1控制系统功能与组成
控制系统是太阳能热水工程的中枢系统，其通过电气控制的方式，提供智能的人机交互界面、实时采集显示相关水温、水位信号，实时监测相关运行信息，自动控制集热器进行能量交换、自动控制循环系统的泵阀工作、自动控制辅助热源按需加热，确保系统正常运行。控制系统能够根据用户现场设定数据及实时监测到的水压、水位、水温等参数自动控制加水泵阀、伴热防冻、循环泵阀、辅助热源、排空泵阀、供水泵及变频器等设备的启停，满足用户热水需求。因此控制系统需有水位水温监测显示、数据输入、运行信息指示、上水控制、集热控制、供水控制、防冻控制、辅热控制、排空控制等功能，见图2。
图2 控制系统结构与功能
2.2控制信号分析
控制系统根据用户指令和输入信号进行判断、分析，从而输出信号驱动相应的泵阀、热水设备进行工作。据图2所示系统，输入信号有集热器水温[T1]、管道水温[T2] 、储热水箱水温[T3]、供水水温[T4]、水位信号[H1]、水压信号[P]等，输出信号有上水泵阀控制信号、循环泵阀控制信号、辅助热源控制信号、供水泵阀控制信号、防冻伴热控制信号、排空泵阀控制信号、变频供水控制信号等。
2.3控制方式分析
在太阳能热水工程的控制系统中，根据运行原理和适用场合的不同，常用的有手动控制、温差控制、定时控制、定温控制等四种控制模式。
1）手动控制是最为基础的控制方式，也是比较受大家认可的一种由操作人员根据实际需要手动控制上水、集热循环、供水、防冻加热、辅助加热、排空等控制方式。在紧急情况或特殊情况时可以启用手工模式进行控制。
2）温差控制即系统适时监测集热器水温（[T1]）和储热水箱水温（[T3]），并且将二者送到控制系统进行分析，当温差（[ΔT=T1-T3]）大于设定值（[Δt0]）时（5～20℃），控制核心输出信号启动循环供水泵将集热系统的热量传输到储热水箱；当温差（[ΔT=T1-T3]）小于设定值（[Δt0]）时（2～10℃），控制核心不再输出信号循环泵停止工作。同时当温差（[ΔT=T1-T3]）等于设定值（[Δt0]）时（50～60℃），控制核心输出信号停止循环供水泵以保护低温水进入集热器造成集热管炸裂；当温差（[ΔT=T1-T3]）小于设定值（[Δt0]）时（20～30℃），控制核心再次输出信号启动循环泵开始工作。
3）定温控制模式是系统适时监测集热器水温（[T1]），并且将其送到控制系统进行分析比较，当集热器水温（[T1]）大于等于设定值（[t1]）时，控制核心输出信号启动控制电磁阀或循环水泵，冷水进入集热器将热水压入储热水箱；当集热器水温（[T1]）小于设定值（[t1]）时，控制核心不再输出信号，控制电磁阀或循环水泵停止工作。
4）定时控制是效率较低的一种控制模式，操作人员根据实际需要，预先设定系统启停、运行时间或排空时间，系统在设定时间启动泵阀或停止循环泵。
2.4控制系统构建
据以上分析，结合北方地区气候特点及用户需求构建了以凯盈电子有限公司的KING-C型太阳能集热工程控制器为核心，辅以SA136型数码温差控制器进行超温保护、SB252型数码定时器做定时排空控制、SC393电子探极式液位继电器做液位双重保护、水温水位传感器等器件的适合北方地区应用的太阳能热水工程控制系统，见图3所示。该系统综合手动、温差、定温、定时四种控制方式，具有水位监测显示、水温监测显示、数据输入、运行信息显示、自动与手动运行控制、上水控制、集热循环控制、供水控制、防冻控制、辅助燃气锅炉或电加热控制、恒温控制、排空控制、自动保护等功能，适合北方高寒地区使用。
图3 太阳能热水工程控制系统简图
3 结束语
本系统应用于实际工程，经过现场调试、运行及参数测试，系统运行稳定、智能化程度高、保护措施完善，通过对数据的分析计算得到系统产热量稳定、经济效益与环保效益较高，适合在北方高寒地区使用。
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