太陽能熱泵供熱控制系統(tǒng)研究

劉春蕾 王汝鑫 孫 勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

太陽能熱泵供熱控制系統(tǒng)研究

劉春蕾 王汝鑫 孫 勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

研究了利用太陽能及熱泵機(jī)組聯(lián)合供熱的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用地下水箱對太陽能進(jìn)行蓄熱，并利用熱泵機(jī)組和電輔助加熱彌補(bǔ)太陽能在陰天或夜間獲取的不足，通過測試現(xiàn)場參數(shù)對系統(tǒng)中的水泵、調(diào)節(jié)閥、輔助電熱器等設(shè)備的運行過程進(jìn)行自動控制，以達(dá)到室內(nèi)溫度的要求.

太陽能；熱泵；控制系統(tǒng)

0 引 言

能源的高效、清潔利用已經(jīng)成為衡量一個國家和地區(qū)綜合發(fā)展水平不可缺少的參照，是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的重大問題.而人類在使用能源過程中產(chǎn)生了環(huán)境問題，環(huán)境問題其實是因為能源在人類利用物質(zhì)和處理物質(zhì)上分配不對等，使得利用的速率大大超過處理的速率才產(chǎn)生的.節(jié)約能源，選擇合適的能源，合理分配能源，也是解決環(huán)境問題的關(guān)鍵所在.如何實現(xiàn)能源清潔利用、保護(hù)大氣環(huán)境是至關(guān)重要的.

新能源的開發(fā)利用及各種節(jié)能技術(shù)的發(fā)展是解決能源緊缺和環(huán)保的主要途徑.太陽能具有其他任何一種能源無法比及的優(yōu)點.目前，太陽能已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，特別是在解決生活需要方面，如生活熱水、供熱、太陽房等.但這些應(yīng)用在需求上與太陽輻射能量規(guī)律存在著矛盾：當(dāng)天氣越冷、人們越需要熱量的時候，太陽能量的供給往往不足.解決這一矛盾的有效辦法就是蓄熱技術(shù).對于太陽輻射能量固有的間歇性，可以通過熱泵技術(shù)和輔助電加熱來彌補(bǔ).而且通過蓄熱裝置還可以實現(xiàn)電力消峰填谷的目的，充分利用低價電.控制系統(tǒng)可以保證太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的正常運行.

1 太陽能-熱泵供熱系統(tǒng)及運行說明

太陽能-熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)見圖1：系統(tǒng)由熱管真空管太陽能集熱器、高位水箱、電加熱器、地下蓄熱水箱、熱泵機(jī)組、末端散熱裝置、水泵、閥門等組成.

圖1 太陽能熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)示意圖

供熱系統(tǒng)可以有三種供熱方式：第一種是太陽能集熱循環(huán)通過高位水箱內(nèi)的熱水對用戶直接供熱，第二種是高位水箱內(nèi)的熱水經(jīng)熱泵機(jī)組處理后對用戶進(jìn)行供熱，第三種是地下蓄熱水箱內(nèi)的熱水通過熱泵機(jī)組處理后對用戶進(jìn)行供熱，供熱方式見圖1所示.高位水箱內(nèi)部在底層四周離地面一米左右布設(shè)電加熱器用于彌補(bǔ)太陽能不足或蓄熱不足造成的太陽能供暖熱量的不足.

2 太陽能-熱泵供熱控制系統(tǒng)

太陽能熱泵供熱控制系統(tǒng)如圖2所示：圖中設(shè)有太陽能集熱溫度、高位水箱溫度和液位、地下蓄熱水箱的溫度和流量、管道壓力、室內(nèi)外溫度等的檢測，調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)流量，以合理分配高位水箱、蓄熱器和房間的熱量.

圖2 太陽能熱泵機(jī)組供熱控制系統(tǒng)監(jiān)控圖

控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下控制功能：1、太陽能集熱循環(huán)控制；2、加熱控制：根據(jù)需求端的供暖情況，采用高位水箱出水溫度或室內(nèi)溫度的要求控制電加熱器的啟停.3、熱泵機(jī)組的啟停控制：根據(jù)室內(nèi)溫度的要求自動啟停熱泵機(jī)組.4、水泵的啟?？刂疲篋DC根據(jù)事先設(shè)定好的程序自動的啟停各臺水泵.5、管道流量控制：為了使室內(nèi)溫度達(dá)到一定的數(shù)值自動的控制每個房間內(nèi)分水器總管道上的電磁閥以控制室內(nèi)的溫度達(dá)到要求.6、供水管網(wǎng)的壓力控制；

控制系統(tǒng)的核心部件是直接數(shù)字控制器DDC，本系統(tǒng)利用西門子S7-1200PLC，并利用各種傳感器采集現(xiàn)場信號，通過數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入輸出四個通道和控制器連接，經(jīng)PLC的計算處理，控制和保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備.系統(tǒng)中采用了兩臺變頻泵以實現(xiàn)流量的控制以達(dá)到節(jié)能的目的.另外PLC通過通訊模塊和以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，監(jiān)控界面可以對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況進(jìn)行顯示，以達(dá)到友好的人機(jī)交互界面.

2.1 PLC的硬件配置

PLC是整個太陽能熱泵供熱控制系統(tǒng)的核心，要完成對系統(tǒng)中所有信號的采集、運算及對所有設(shè)備的控制，因此在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件等多方面因素.由于太陽能熱泵供熱控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-1200型.S7-1200型PLC結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)，且具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制.PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù).

根據(jù)控制系統(tǒng)實際監(jiān)控點數(shù)，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-1200型PLC的主模塊為CPU1214C，其開關(guān)量輸出為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出，開關(guān)量輸入為14點，輸入形式為+24V直流輸入，另外還有兩路模擬量輸入.但由于實際中需要模擬量輸入7路，模擬量輸出點2路，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展選擇輸入輸出組合的4模入/2模出的信號模塊SM兩塊，及16DC輸入/16繼電器輸出的信號模塊SM一塊，另外需要擴(kuò)展通訊模塊CM1241RS485一塊.其硬件配置圖如圖3所示.

圖3 PLC硬件配置圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)室外溫度較高時，相應(yīng)的太陽能集熱溫度和高位水箱出水溫度均較高，此時直接啟動水泵1和水泵2，開啟閥門1和閥門2，系統(tǒng)開環(huán)運行太能能直接供熱，從而使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，同時啟動水泵5，地下水箱蓄熱.當(dāng)室內(nèi)溫度低于某一數(shù)值時，則開啟熱泵機(jī)組和變頻水泵，對房間溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，此時可以將室外溫度和太陽能集熱溫度作為前饋信號構(gòu)成前饋加反饋的控制系統(tǒng)，以提高控制速度和精度，其控制原理如圖4所示.

圖4 自動控制原理圖

當(dāng)某個房間溫度較高或沒有人居住時可以局部關(guān)閉分水器上的電磁閥，實現(xiàn)溫度的局部調(diào)節(jié).作為主控制系統(tǒng)按功能大體可分稱七個子模塊，分別為系統(tǒng)初始化、自檢、溫度數(shù)據(jù)采集、顯示輸出、控制輸出、系統(tǒng)保護(hù)和報警，其流程圖如圖5所示.

3 結(jié) 論

熱泵機(jī)組及蓄熱裝置彌補(bǔ)了太陽能利用過程中的缺點，結(jié)合熱泵和電輔助加熱用于供熱系統(tǒng)符合國家的能源政策，而且通過蓄熱可以利用低價電，對實現(xiàn)能源多樣化，使電力移峰填谷，節(jié)省運行費用和燃煤、油等帶來的環(huán)境污染，解決生產(chǎn)生活熱水供應(yīng)及采暖問題，對節(jié)約我國每年因供暖而消耗的大量戰(zhàn)略資源-煤資源、石油資源、電力資源具有深遠(yuǎn)的積極意義.本成果針對小型建筑——別墅、農(nóng)村的獨立供熱，在我國三北地區(qū)有廣闊的推廣前景.

借助自動控制太陽能熱泵供熱裝置可提供穩(wěn)定流量、穩(wěn)定溫度的供回水，適于采暖工程的要求，既利用了可再生的太陽能，又利用了低谷電，起到移峰填谷的作用，太陽能熱泵供熱系統(tǒng)可用于生態(tài)建筑系統(tǒng)，其市場容量之大不可估量.

圖5 程序流程圖

[1]張志剛，趙樹興，呂建.電熱蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].煤氣與熱力，2005(2)：36～38

[2]劉春蕾,孫勇,王汝鑫.電輔助太陽能相變蓄熱供熱控制系統(tǒng)研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2015，9(3)

[3]史葆華.使用蓄熱電鍋爐供暖移峰填谷降成本[J].電力需求側(cè)管理，2004(11)，PP53～54

[4]西門子S7-1200PLC可編程控制器產(chǎn)品樣本說明[EB]

Research on the Control Systems of Solar Energy Heat Pump Heating

LIUChun-lei,WANGRu-xin,SUNYong

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Hebei Zhangjiakou 075024)

In this paper,the control system of heating through solar energy and heat pump is studied.As a replacement for the insufficient of solar energy in the cloudy day or night,the underground cistern is used for solar heat storage and heat pump or electric boosting is used in the heating system.In order to achieve the requirement of indoor temperature,such equipments in the system as the water pump,regulating valve,auxiliary electric heater can be automatically controlled by testing field parameters.

solar energy;heat pump;control system

2015-10-27

河北建筑工程學(xué)院2014年度基金項目，項目編號：ZD201406

劉春蕾(1966-)，女，教授，主要從事測控技術(shù)研究.

TU 892；TP 273

A