基于外部條件控制的多能源熱水系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)

黃建優(yōu)

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

多能源熱水系統(tǒng)指的是采用非單一能源進(jìn)行加熱產(chǎn)水，然后將熱水儲(chǔ)存至水箱，再通過管道輸送至用戶用水端的系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)多用于集中供水的酒店、學(xué)校、醫(yī)院等大型商用或公共場所使用。隨著國內(nèi)居民生活水平的提高，以及國家對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些家用的多能源熱水系統(tǒng)，這類家用多能源熱水系統(tǒng)多用于大戶型或者是別墅型這類需要大量熱水使用的應(yīng)用場景。目前國內(nèi)外已有部分熱水器廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了一些多能源熱水系統(tǒng)產(chǎn)品，該類產(chǎn)品一般都包含有平面型太陽能集熱板、熱泵熱水器、燃?xì)鈨捎脿t、燃?xì)鉄崴鞯葞追N能源的組合。該類多能源熱水系統(tǒng)的開發(fā)通常需要熱水器整機(jī)廠投入研發(fā)的部分有：①熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)；②中央控制器的設(shè)計(jì)研發(fā)；③單機(jī)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)研發(fā)。由于要使得系統(tǒng)中的各單機(jī)系統(tǒng)受中央控制的控制，因此熱水器整機(jī)廠家需要對(duì)每個(gè)單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行控制器重新開發(fā)，通常的控制方式是采用通信協(xié)議的方式控制。而且一般的熱水器整機(jī)廠很難達(dá)到涵蓋到所有品類產(chǎn)品的研發(fā)，各大整機(jī)廠的技術(shù)強(qiáng)項(xiàng)往往只在于幾個(gè)產(chǎn)品類別，因此勢必造成了熱水器整機(jī)廠研發(fā)的難度大，研發(fā)的投入大。而對(duì)于用戶而言，由于該類產(chǎn)品屬于同一品牌廠家開發(fā)，因此一般都需要客戶成套購買、安裝及調(diào)試，初期購置成本高，后期維護(hù)也不方便，單機(jī)產(chǎn)品也無法根據(jù)客戶的需求進(jìn)行品牌自由選擇。開發(fā)控制系統(tǒng)難度大等難題一直困擾著廣大整機(jī)廠，也使得該類節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品無法大力推廣應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 方案原理概述

本方案多機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有一個(gè)中央控制器，該中央控制器獨(dú)立于單機(jī)系統(tǒng)外部，該中央控制器用于收集熱水系統(tǒng)中的一些運(yùn)行參數(shù)：儲(chǔ)水水箱的溫度，太陽能熱水器集熱板的溫度，太陽能熱水器循環(huán)換熱器管路、熱泵熱水器循環(huán)換熱管路、燃?xì)鉄崴餮h(huán)換熱管路中的水流信號(hào)等[1]；同時(shí)中央控制器還有用于：控制太陽能熱水器循環(huán)換熱管路的水泵啟動(dòng)、控制燃?xì)鉄崴餮h(huán)換熱管路的水泵啟動(dòng)的繼電器電路等，中央控制器還有用于輸出模擬電壓信號(hào)到熱泵熱水器溫度傳感器的接口[2]。通過中央控制器采集儲(chǔ)水水箱的溫度，從而輸出控制條件給各單機(jī)系統(tǒng)，使該多能源系統(tǒng)以最優(yōu)化能源組合方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.1.1 燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ鲉?dòng)條件

燃?xì)鉄崴髟诠ぷ鲿r(shí)，必須要滿足一定的條件時(shí)燃?xì)鉄崴鞑艜?huì)啟動(dòng)加熱或停止加熱。燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ鳁l件為：①燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)水溫度要小于燃?xì)鉄崴髟O(shè)置溫度；②燃?xì)鉄崴饔兴髁鬟^；③燃?xì)鉄崴魈幱诜枪收蠣顟B(tài)下。如果條件滿足則燃?xì)鉄崴鲉?dòng)加熱流程，對(duì)流經(jīng)燃?xì)鉄崴鞯乃鬟M(jìn)行加熱。當(dāng)無水流流過燃?xì)鉄崴骰蛘叱鏊疁囟雀哂谠O(shè)置溫度，則燃?xì)鉄崴鲿?huì)停止加熱，停止運(yùn)行。以上水流信號(hào)、進(jìn)水和設(shè)置溫度信號(hào)即燃?xì)鉄崴鞯耐獠繂?dòng)/停止條件。

1.1.2 熱泵熱水器的工作啟動(dòng)條件

熱泵熱水器在工作時(shí)，必須要滿足一定的條件時(shí)熱泵熱水器才會(huì)啟動(dòng)加熱或停止加熱。熱泵熱水器工作的條件為：①熱泵熱水器加熱輸出的熱水溫度值小于熱泵熱水器設(shè)定的溫度值；②熱泵熱水器處理非故障狀態(tài)下。如果條件滿足則熱泵熱水器啟動(dòng)加熱流程，對(duì)流經(jīng)熱泵熱水器的水流進(jìn)行加熱。當(dāng)加熱輸出的溫度值大于設(shè)定溫度值時(shí)，則熱泵熱水器會(huì)停止加熱。以上加熱輸出水溫溫度信號(hào)即熱泵熱水器的外部啟動(dòng)/停止條件。

1.1.3 太陽能熱水器的工作啟動(dòng)條件

太陽能熱水器在工作時(shí)，主要檢測太陽能熱水器集熱板的溫度與儲(chǔ)水水箱設(shè)置溫度的溫差，如果太陽能熱水器集熱板溫度大于水箱設(shè)置溫度的溫差，啟動(dòng)太陽能熱水器循環(huán)水泵進(jìn)行換熱，將太陽能熱水器中的熱水輸入至儲(chǔ)水水箱。當(dāng)太陽能熱水器集熱板中的水溫小于集水水箱中的溫度時(shí)，停止換熱。由于太陽能熱水器系統(tǒng)屬清潔能源，制熱過程不會(huì)產(chǎn)生能耗，同時(shí)也無法控制制熱，因此太陽能熱水器系統(tǒng)沒有外部啟動(dòng)條件，在熱水系統(tǒng)中是一直運(yùn)行的，只要太陽能熱水器集熱板與儲(chǔ)水水箱設(shè)置溫度產(chǎn)生了溫差就可以進(jìn)行換熱。

1.2 熱力系統(tǒng)

本方案的熱力系統(tǒng)主要包含有以下部分（如圖1所示）：①儲(chǔ)水水箱；②太陽能加熱系統(tǒng)；③熱泵加熱系統(tǒng)；④燃?xì)鉄崴骷訜嵯到y(tǒng)；⑤回水系統(tǒng)；⑥連接管路系統(tǒng)。

熱力系統(tǒng)包含有儲(chǔ)水水箱，其作用主要用于單機(jī)系統(tǒng)的換熱，儲(chǔ)存熱水，冷水及熱水的輸入輸出的功能。單機(jī)系統(tǒng)將儲(chǔ)水水箱內(nèi)的低溫冷水通過管路循環(huán)至單機(jī)系統(tǒng)并進(jìn)行加熱，然后再通過管路循環(huán)將加熱后的熱水輸出至儲(chǔ)水水箱，完成換熱循環(huán)。

各單機(jī)系統(tǒng)均不做任何設(shè)計(jì)及改動(dòng)，僅以外部條件來使各單機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)/停止控制，當(dāng)單機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行后即可完成制熱水的功能。

1.3 中央控制器

本方案所描述的一種熱水系統(tǒng)的多機(jī)控制裝置，包括有一個(gè)中央控制器，其中央控制器包含有以下電路單元（如圖2所示）：①電源模塊；②中央處理器單元；③水流開關(guān)檢測模塊；④水箱進(jìn)水水流量傳感器檢測模塊；⑤水箱水溫傳感器檢測模塊；⑥太陽能溫度傳感器檢測模塊；⑦模擬熱泵溫度電壓信號(hào)輸出；⑧太陽能循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)模塊；⑨燃?xì)鉄崴餮h(huán)水泵驅(qū)動(dòng)模塊；⑩出水回流循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)模塊；[11]顯示板通信模塊。

圖1 熱力系統(tǒng)框圖

本方案通過中央控制器處理單元計(jì)算水箱水溫的數(shù)據(jù)，通過模擬輸出各單機(jī)系統(tǒng)所需要的啟動(dòng)信號(hào)，可以控制以下系統(tǒng)的運(yùn)行：①通過中央控制系統(tǒng)可以控制燃?xì)鉄崴魍獠垦h(huán)水泵來使燃?xì)鉄崴鲉螜C(jī)啟動(dòng)或停止加熱；②通過中央控制器系統(tǒng)可以模擬溫度值電壓信號(hào)（表1）可以控制熱泵熱水器單機(jī)啟動(dòng)或停止加熱；③通過中央控制器系統(tǒng)可以控制太陽能熱水器外部循環(huán)水泵來使太陽能熱水器單機(jī)啟動(dòng)或停止加熱；④再通過連接管路將各單機(jī)系統(tǒng)中的熱量輸送至儲(chǔ)水水箱中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各單機(jī)統(tǒng)一調(diào)配及控制。

2 測試驗(yàn)證

傳統(tǒng)的多機(jī)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須通過以下的方法：開發(fā)一款中央控制器，通過該控制器上的通信接口與每臺(tái)熱水器單機(jī)連接，通過該控制器與熱水器間的控制協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器單機(jī)的控制。通過以上方法可以實(shí)現(xiàn)中央控制器對(duì)單機(jī)熱水器的控制，但這樣實(shí)現(xiàn)的話，存在幾個(gè)題：①中央控制器需要重新開發(fā)硬件且預(yù)留各個(gè)單機(jī)的通信接口；②單機(jī)熱水器需要重新開發(fā)硬件，預(yù)留與控制器通信的接口；③需要開發(fā)專用的通信控制協(xié)議。而且通過以上方法開發(fā)的控制系統(tǒng)非常受限，只能使用一些固定的機(jī)型（帶有外部控制功能）；且由于控制協(xié)議的受限（各種產(chǎn)品間不通用），這種控制方法多用于一個(gè)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，無法兼容市場上其它品牌的產(chǎn)品，這樣極大的限制了該類產(chǎn)品的市場推廣（一般廠商無法做到所有產(chǎn)品自制，這樣就會(huì)限制該類產(chǎn)品的應(yīng)用）。

顯而易見的，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，需要消耗大量的開發(fā)費(fèi)用及資源，且適用性非常差。而通過本技術(shù)方案所研發(fā)的控制器方案，研發(fā)投入非常低，對(duì)系統(tǒng)的改造小，適應(yīng)性強(qiáng)。

本技術(shù)方案通過外部條件的控制方案，組建了實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境，并對(duì)外部控制條件進(jìn)行了各種工況下的啟動(dòng)-停止驗(yàn)證，充分的驗(yàn)證了控制方案的可行性（圖3）。

圖2 中央控制器系統(tǒng)框圖

表1 中央控制器輸出電壓DAC對(duì)應(yīng)熱泵熱水器溫度表

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的方案，系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大，開發(fā)周期長。而且系統(tǒng)的兼容性差，系統(tǒng)靈活性差，不適用于家用客戶訂制化產(chǎn)品的開發(fā)，僅能適用于商用產(chǎn)品的環(huán)境，這大大的限制了該類產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。而本技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)原有水系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)部分不做任何改動(dòng)，使得系統(tǒng)方案可實(shí)施性高，整體系統(tǒng)投入費(fèi)用少，用戶體驗(yàn)更好。