智能太陽(yáng)能加空氣熱源泵技術(shù)在澡堂供水中的應(yīng)用

王映清

(蘭州鐵路局蘭州西車輛段,甘肅蘭州 730050)

蘭州西車輛段武南運(yùn)用車間站修作業(yè)場(chǎng)利用太陽(yáng)能加空氣熱源泵技術(shù)替代立式常壓鍋爐提供洗浴用水。本文對(duì)這一技術(shù)的基本原理作一簡(jiǎn)要介紹,以望能為創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)發(fā)揮一定的作用。

1 洗浴供水方式比較

普通立式常壓鍋爐提供洗浴熱水,存在鍋爐利用率低、能源消耗量大、運(yùn)營(yíng)成本高和污染環(huán)境等問(wèn)題,這與當(dāng)前保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排、提倡使用綠色低碳能源的大環(huán)境不相符,尋求新的洗浴熱水提供方式勢(shì)在必行。

太陽(yáng)能作為清潔無(wú)污染的綠色能源,是理想的替代能源,但太陽(yáng)能存在受季節(jié)和天氣影響較大、熱流密度低等缺點(diǎn)[1],不能作為澡堂單獨(dú)的供熱能源。

空氣熱源泵是利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源,從低溫?zé)嵩?(空氣)高效吸取低品位熱能,并將其傳輸給高溫?zé)嵩?(水),以達(dá)到泵熱的目的,從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源。其最大的問(wèn)題一是冬季大氣溫度很低時(shí),熱泵系統(tǒng)的效率比較低;二是熱泵全年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),壓縮機(jī)的故障率較高。

2 智能太陽(yáng)能加空氣熱源泵的設(shè)計(jì)思路

采用太陽(yáng)能加空氣熱源泵智能模糊控制技術(shù)[2],制定出夏季 6～9月晴天只用太陽(yáng)能,陰雨天和過(guò)渡期(4月、5月、10月)用空氣熱源泵對(duì)太陽(yáng)能預(yù)加熱的水進(jìn)行溫度提升,冬天 11～3月用供暖鍋爐同時(shí)提供洗澡用水的節(jié)能改造方案,這樣既克服了太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的不足又解決了空氣熱源泵系統(tǒng)冬季效率低、滿符合運(yùn)轉(zhuǎn)故障率高的問(wèn)題。較好地解決了站修職工每天下午的洗浴需求,對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和降低企業(yè)成本起到了積極的作用。

3 智能化控制系統(tǒng)的基本原理

3.1 系統(tǒng)組成

智能太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、保溫水箱、空氣熱源泵輔助加熱系統(tǒng)、智能模糊控制系統(tǒng)、供水管道等六部分組成(見(jiàn)圖1)。

3.2 作用原理

智能模糊控制系統(tǒng)采用美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的 PIC16F877單片機(jī)作控制器。該單片機(jī)內(nèi)含 10位A/D轉(zhuǎn)換,具有同步串行口 SSP,可直接進(jìn)行 SPI方式串行通信;采用具有串行接口的EDM091B段碼液晶顯示組件作為顯示器,其內(nèi)含LCD控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器,并帶有數(shù)據(jù)譯碼和數(shù)據(jù)采集功能[3](見(jiàn)圖2)。

圖1 太陽(yáng)能加空氣熱源泵供水系統(tǒng)

圖2 智能模糊控制系統(tǒng)

由于 PIC16F877內(nèi)部具有 3個(gè)看門狗電路、具有可進(jìn)行 SPI方式串行通信的同步串行口 SSP以及 10位A/D轉(zhuǎn)換電路,可分別直接與傳感器和具有串行接口的段碼式液晶顯示模塊連接,因此外電路十分簡(jiǎn)單,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、安全可靠,溫度分辨率為 1℃、控制精度為 2℃,成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的恒定控制。

通過(guò)該智能模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)、定溫、定水位等過(guò)程控制:當(dāng)太陽(yáng)能把集熱器的冷水加熱到 60℃時(shí)(該溫度可調(diào)),冷水管路上的電磁閥門自動(dòng)打開(kāi),冷水被自來(lái)水壓力壓入集熱器內(nèi),集熱器內(nèi)的熱水被擠出,進(jìn)入到保溫水箱儲(chǔ)存待用,當(dāng)冷水到達(dá)集熱器出水口的溫度探頭時(shí),若探測(cè)溫度低于 60℃,電磁閥立即關(guān)閉,冷水停留在集熱器內(nèi)繼續(xù)被太陽(yáng)能加熱,2～5 min后水溫又達(dá)到60℃,電磁閥再次打開(kāi),集熱器內(nèi)的熱水又被擠入到保溫水箱中,按此規(guī)律,一次一次產(chǎn)生的熱水進(jìn)入保溫水箱,水箱內(nèi)熱水逐漸增加,一直增加到保溫水箱水滿為止。

保溫水箱水滿后,就停止進(jìn)水。如果還有太陽(yáng),為了充分利用太陽(yáng)能,循環(huán)泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),保溫水箱 60℃的水被抽出來(lái),經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器繼續(xù)循環(huán)加熱,使水溫進(jìn)一步升高到 60℃以上。當(dāng)水溫達(dá)到 80℃時(shí),就停止循環(huán)加熱,限制循環(huán)加熱水溫不超過(guò) 80℃,以免燙傷人,又可防止水箱管路結(jié)垢 (產(chǎn)生水垢的溫度條件是水溫超過(guò)80℃)。

在太陽(yáng)光照不足或水溫達(dá)不到設(shè)定值時(shí)空氣熱源泵自動(dòng)啟動(dòng)。為最大限度地利用太陽(yáng)能,減少電能的消耗,我們?cè)O(shè)定每天 14:30(可滿足站修17:30的洗澡用水,可任意設(shè)定)定時(shí)檢測(cè)保溫水箱的水位。到 14:30如果檢測(cè)到水箱內(nèi)熱水水位達(dá)不到 50%的位置,則自動(dòng)啟動(dòng)熱泵加熱系統(tǒng),往水箱內(nèi)補(bǔ)充 60℃的熱水,直到水位達(dá)到 100%,熱泵系統(tǒng)停止工作。同時(shí),當(dāng)水箱水溫降低到55℃時(shí),熱泵也會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),提升水溫到 60℃。從以上我們可以看出,系統(tǒng)在設(shè)定時(shí)間 (可按需要設(shè)定多個(gè)時(shí)間段)會(huì)自動(dòng)探測(cè)保溫水箱的水位,如果熱水水位不夠 50%時(shí),才啟動(dòng)熱泵加熱(表明此時(shí)太陽(yáng)能光照不足或是陰雨天),反之就一直使用太陽(yáng)能加熱 (晴天),而不會(huì)啟動(dòng)熱泵,這樣就可以最大限度地使用太陽(yáng)能、節(jié)約電能。

到冬季供暖期,停用太陽(yáng)能加空氣熱源泵系統(tǒng),排空管路積水,關(guān)閉系統(tǒng)所有閥門和電源,做好系統(tǒng)保養(yǎng)維護(hù),由采暖鍋爐向保溫水箱注水洗澡。

4 效益分析

我段武南運(yùn)用車間站修作業(yè)場(chǎng)按每天 130人洗澡、人均用水 0.077 m3計(jì)算,每天的熱水使用量為 10.00 m3。

使用原2.5 t立式常壓鍋爐提供洗浴用水,每天耗煤 0.68 t(本地煤塊 649元/t),非采暖期4～10月提供洗浴熱水共需耗煤 110t,計(jì)7.14萬(wàn)元。

采用智能太陽(yáng)能加 10P空氣熱源泵 (功率8.5 kW)系統(tǒng)提供洗浴熱水,夏天 6～9月共122 d,按晴天 102 d(用太陽(yáng)能,考慮其他因素,熱泵日工作 2 h)、陰雨天 20 d(熱泵日工作 8 h)計(jì)算;過(guò)渡期 (4月、5月10月)按晴天 80 d(太陽(yáng)能,熱泵工作 4 h),陰雨天 12 d(熱泵日工作 9 h)計(jì)算,整個(gè)非采暖期的耗電為 6 732 kW·h[(102＊2+20＊8+80＊4+12＊9)＊8.5=6 732),計(jì)4 039元(單價(jià) 0.6元/kW·h),換算為耗煤量為6.22 t,可節(jié)煤 94%。

相比較立式常壓鍋爐供洗浴熱水費(fèi)用是太陽(yáng)能加空氣熱源泵系統(tǒng)的 17.68倍,因此使用太陽(yáng)能加空氣熱源泵系統(tǒng)節(jié)能效果是非常明顯的。

5 結(jié)論

太陽(yáng)能加空氣熱源泵技術(shù)改變了我段列檢、站修洗浴用能的傳統(tǒng)模式,使我段在提高資源利用效率,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

該系統(tǒng)的成功應(yīng)用,也為蘭州西車輛段其余4個(gè)站修作業(yè)場(chǎng)和 15個(gè)列檢作業(yè)場(chǎng)洗浴供水節(jié)能改造提供了一個(gè)非常好的思路。

[1] 羅振濤,史立山.中國(guó)太陽(yáng)熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告[R].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2004.

[2] 竇振中.模糊邏輯控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995.

[3] 黃元峰,苗曉菲,孫裕儒,等.由 PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的溫濕度模糊控制系統(tǒng)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,3(4): 352-355.