太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

楊朝暉，馬光柏，李培倫

（1.山東建筑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟(jì)南250103）

0 引言

隨著太陽能熱利用技術(shù)的迅速發(fā)展，太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟，在我國農(nóng)村、城市都得到了很好的應(yīng)用，各地政府也出臺(tái)了相應(yīng)的強(qiáng)制安裝政策鼓勵(lì)太陽能熱水器的推廣。在實(shí)際使用時(shí)，太陽能熱水器易受地區(qū)、季節(jié)、天氣、時(shí)間等因素的影響導(dǎo)致供熱的穩(wěn)定性和連續(xù)性較差［1－2］，需要采用輔助能源達(dá)到使用的效果。常見的輔助能源一般是電能，但是采用電加熱給太陽能熱水器水箱升溫存在耗時(shí)久、能耗高等缺點(diǎn)，整箱熱水如果不能一次全部利用，余水還會(huì)形成熱量散失，造成能量浪費(fèi)。

有關(guān)研究提出采用燃?xì)鉄崴鬏o助太陽能熱水器聯(lián)合供應(yīng)熱水的解決方案，主要是利用燃?xì)鉄崴鞯募从眉撮_、方便快捷等特點(diǎn)，能夠解決太陽能熱水器供水溫度不穩(wěn)定、不連續(xù)、電輔能源浪費(fèi)、縣鄉(xiāng)村生活熱水供應(yīng)難等問題。桑松表［3］對(duì)一個(gè)集中供熱水的太陽能系統(tǒng)采用鍋爐、電、燃?xì)?種輔助熱源加熱進(jìn)行比較，指出燃?xì)鉄崴鬏o助熱源優(yōu)勢明顯；陳莘［4］論證了選用容積式燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源應(yīng)用在工程項(xiàng)目上可最大程度上節(jié)省能耗；陳志光等［5－6］開展了太陽能與燃?xì)鈴?fù)合熱水系統(tǒng)的運(yùn)行分析，證明太陽能與燃?xì)鈴?fù)合熱水系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性；Bourke等［7］研究了燃?xì)鉄崴鬏o助太陽能系統(tǒng)的年節(jié)能量測試方法，建立了燃?xì)鉄崴鞣€(wěn)態(tài)性能的測試評(píng)價(jià)方法；Zoukit等［8］和López-Vida?a等［9］進(jìn)行了太陽能燃?xì)饴?lián)合的干燥系統(tǒng)的研究。除了熱水供應(yīng)方面的研究，技術(shù)人員還開展了太陽能和燃?xì)獗趻鞝t聯(lián)合供暖的相關(guān)研究［10－14］，提出了太陽能—燃?xì)夤┡療崴疇t互補(bǔ)供能系統(tǒng)、相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)［15］。但由于供暖有季節(jié)性，兩者聯(lián)合的使用頻率和應(yīng)用效果未能在全年得到體現(xiàn)。

上述研究大多是從系統(tǒng)結(jié)合方式、優(yōu)勢、節(jié)能效果等方面進(jìn)行分析，但針對(duì)太陽能在不同天氣條件下水溫的波動(dòng)對(duì)燃?xì)鉄崴鞯挠绊?、用戶用水溫度變化方面并未涉及。?dāng)太陽熱水器水溫較高時(shí)，啟動(dòng)燃?xì)鉄崴鲿?huì)出現(xiàn)突然的溫度瞬變，影響用戶的體驗(yàn)，甚至有引起燙傷的危險(xiǎn)。根據(jù)燃?xì)鉄崴餍枰欢▎?dòng)水壓的特點(diǎn)和高層住宅建筑強(qiáng)制安裝太陽能熱水器政策出臺(tái)的現(xiàn)狀［16－17］，文章選定承壓式太陽能系統(tǒng)與燃?xì)鉄崴髀?lián)合供應(yīng)熱水，并對(duì)相應(yīng)的溫度控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析二者結(jié)合對(duì)熱水性能的影響與節(jié)能的效果，為太陽能熱水工程系統(tǒng)如集中集熱集中供熱太陽能系統(tǒng)與燃?xì)鉄崴鞯穆?lián)合應(yīng)用提供參考。

1 太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 聯(lián)合系統(tǒng)的控制方式

由于外界因素的影響，太陽能熱水器水箱內(nèi)溫度在20～70℃之間，溫差范圍很大，用戶使用太陽能熱水洗浴，一般＜40℃的熱水就無法再使用，可利用燃?xì)鉄崴骼^續(xù)加熱。而燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)水一般是以10～15℃的低溫冷水考慮使用模式、火焰大小、溫度高低的設(shè)定與控制，根據(jù)設(shè)定的最高水溫和入口低溫冷水之間的溫差，保證熱水流量的前提下調(diào)節(jié)火焰大?。划?dāng)使用模式變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)火焰和流量達(dá)到恒溫效果。其聯(lián)合控制方式通常有3種：

（1）太陽能熱水器和燃?xì)鉄崴骶瑟?dú)立運(yùn)行，但這樣做的缺點(diǎn)是存在太陽能熱水器內(nèi)＜40℃的熱水無法繼續(xù)使用，造成一定能量浪費(fèi)。

（2）太陽能熱水器的熱水經(jīng)過燃?xì)鉄崴?，?dāng)溫度滿足洗浴時(shí)燃?xì)鉄崴鞑粏?dòng)，直接使用太陽能的熱水；當(dāng)太陽能熱水系統(tǒng)溫度不能滿足洗浴時(shí)，燃?xì)鉄崴鏖_啟，加熱太陽能熱水器的水達(dá)到洗浴溫度。

（3）燃?xì)鉄崴骷訜崽柲軣崴髡麄€(gè)水箱內(nèi)的水，用戶使用時(shí)從太陽能熱水器水箱內(nèi)取用熱水，但缺點(diǎn)是燃?xì)鉄崴餍枰訜嵴麄€(gè)水箱，耗時(shí)長且不易控制恒溫，如一次性使用不完會(huì)造成熱量浪費(fèi)。

在充分優(yōu)先使用太陽能熱水的前提下，第2種方式能夠最大程度地使用太陽能的熱量，且即開即用，不存在能源浪費(fèi)現(xiàn)象，是比較合理的方式。燃?xì)鉄崴鲉为?dú)使用時(shí)，由于冷水溫度相對(duì)恒定，因此溫度控制比較容易，但太陽能熱水器水箱的溫度變化比較大，當(dāng)水箱中的水進(jìn)入燃?xì)鉄崴髟俅紊郎貢r(shí)，存在溫度驟變影響洗浴甚至造成燙傷的風(fēng)險(xiǎn)，文章針對(duì)該問題及其控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.2 太陽能熱水器的控制方案

系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、太陽能儲(chǔ)熱水箱、燃?xì)鉄崴饕约跋鄳?yīng)的控制設(shè)備組成。太陽能熱水器控制方案主要有：

（1）溫差循環(huán) 當(dāng)太陽能集熱器傳感器溫度＞太陽能儲(chǔ)熱水箱溫度（4～8℃可調(diào)）時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵，集熱循環(huán)啟動(dòng)；當(dāng)溫差＜2～4℃（可調(diào)），集熱循環(huán)關(guān)閉。

（2）過熱保護(hù) 當(dāng)集熱器溫度達(dá)到過熱保護(hù)溫度（90～115℃可調(diào)，默認(rèn)100℃），或水箱溫度達(dá)到過熱保護(hù)溫度（65～75℃可調(diào)，默認(rèn)65℃），進(jìn)入過熱保護(hù)，循環(huán)泵不啟動(dòng)。當(dāng)集熱器溫度＜90℃，且水箱溫度小于過熱保護(hù)設(shè)定溫度時(shí)，泵才會(huì)重新按溫差循環(huán)條件啟動(dòng)。

（3）管路防凍循環(huán) 當(dāng)集熱器溫度＜10℃，進(jìn)入間歇防凍循環(huán)，循環(huán)泵每8 min持續(xù)運(yùn)行15 s，如檢測到集熱器溫度＞10℃，循環(huán)結(jié)束；當(dāng)集熱器溫度＜2℃，進(jìn)入連續(xù)防凍循環(huán)；當(dāng)集熱器溫度＞6℃，停止持續(xù)防凍循環(huán)。使用防凍液的系統(tǒng)，可以關(guān)閉防凍循環(huán)。

（4）溫度查詢 可查詢集熱器溫度、水箱溫度、冷水溫度、燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟鹊取?/p>

（5）其他 時(shí)間設(shè)置，斷電記憶＞4 d，漏電保護(hù)功能。

1.3 太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制的方案

采用調(diào)氣閥和調(diào)水閥雙重控制的方式設(shè)計(jì)燃?xì)鉄崴鱽磉m應(yīng)進(jìn)水溫度變化幅度大從而實(shí)現(xiàn)恒溫效果。在滿足用戶對(duì)出水水溫恒溫、恒壓要求的前提下，太陽能熱水器的水溫達(dá)到用戶用水需求時(shí)，燃?xì)鉄崴鞑婚_啟；當(dāng)太陽能熱水器水溫?zé)o法滿足用水需求時(shí)，燃?xì)鉄崴骺勺鲚o助熱源，升溫太陽能熱水器中的水，最大化利用太陽能而減少燃?xì)庥昧?，?jié)約了能源。太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制的方案主要有：

（1）點(diǎn)火打開出水閥，冷水經(jīng)過水—?dú)饴?lián)動(dòng)裝置、水量調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入熱交換器盤管。當(dāng)檢測到用水水壓時(shí)，打開風(fēng)機(jī)，檢測到風(fēng)壓正常，聯(lián)動(dòng)閥推桿左移，推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)閉合接通電源，點(diǎn)火器打開。點(diǎn)火器打開約1 s后，燃?xì)怆姶砰y開啟，燃?xì)膺M(jìn)入噴嘴，達(dá)到均勻分布的火排出火口，形成穩(wěn)定的火焰燃燒。

（2）低溫設(shè)置恒溫調(diào)節(jié)點(diǎn)火后，根據(jù)冷水溫度、流量傳感器、設(shè)定溫度的值，計(jì)算需要達(dá)到的燃燒火力的大小，從而調(diào)整燃?xì)獗壤y開度，根據(jù)溫度傳感器檢測到的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的比較，進(jìn)行比例閥開度的PID（Proportion Integration Differentiation）調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，同時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使送風(fēng)量和耗氣量相匹配。

（3）當(dāng)高溫溫度＞65℃時(shí)，先調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y開度控制火焰，如溫度與設(shè)定溫度仍有差異，調(diào)節(jié)調(diào)水閥控制流量，達(dá)到設(shè)定溫度恒溫調(diào)節(jié)。

（4）當(dāng)水壓波動(dòng)，根據(jù)流量傳感器的檢測值，調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y達(dá)到溫度恒定。

（5）當(dāng)燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)，根據(jù)出口溫度檢測值反饋，調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y。

（6）關(guān)閉進(jìn)水閥或熱水淋浴噴頭，水流停止，流量傳感器檢測到流量為零，水—?dú)饴?lián)動(dòng)閥關(guān)閉，燃?xì)獗磺袛?，燃燒的火焰熄火?/p>

燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制示意圖如圖2所示。

圖2 燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制示意圖

在聯(lián)合控制方案中，集熱器溫度優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)集熱器溫度傳感器滿足保護(hù)條件，太陽能系統(tǒng)停止運(yùn)行；太陽能熱水器水箱出水溫度為次級(jí)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)其溫度高于設(shè)定溫度，燃?xì)鉄崴鞑婚_啟以實(shí)現(xiàn)節(jié)能；燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟葹榈谌齼?yōu)先級(jí)，保證用戶用水溫度的舒適性。太陽能和燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制方案流程圖如圖3所示。

圖3 太陽能和燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制流程圖

為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品智能化的使用需求，方案中還開發(fā)了移動(dòng)設(shè)備上的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，能夠通過無線（局域）網(wǎng)Wi－Fi（Wireless Fidelity）信號(hào)將聯(lián)合控制系統(tǒng)與手機(jī)進(jìn)行匹配，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)熱水器的控制，具有溫度設(shè)置、顯示、輔助加熱等功能模塊。遠(yuǎn)程控制軟件界面如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制軟件界面圖

2 聯(lián)合控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

太陽能熱水系統(tǒng)選用的產(chǎn)品型號(hào)為Q－JF2－200／4.00／0.80－QFS，即4 m2太陽能集熱器，配置200 L儲(chǔ)熱水箱，強(qiáng)制循環(huán)分體式太陽能熱水器。為方便實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，選用液化氣適用的燃?xì)鉄崴?，由廠家專門研發(fā)，型號(hào)為JSQ20－T IV，具有自動(dòng)恒溫功能，熱水產(chǎn)率10 kg／min（Δt為25℃），熱負(fù)荷20 kW（72 MJ／h），適用水壓0.03～0.40 MPa。對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)與燃?xì)鉄崴髀?lián)合系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示，燃?xì)鉄崴骷翱刂破魅鐖D6所示。

圖5 太陽能熱水器與燃?xì)鉄崴髀?lián)合實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖6 燃?xì)鉄崴骷翱刂破鲗?shí)物圖

正常安裝太陽能熱水器后將燃?xì)鉄崴髋c儲(chǔ)熱水箱串聯(lián)，即冷水水源連接至太陽能儲(chǔ)熱水箱冷水進(jìn)口，儲(chǔ)熱水箱熱水出口連接燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)水口，燃?xì)鉄崴鞒鏊谶B接淋浴噴頭。分別在儲(chǔ)熱水箱進(jìn)水口、出水口、燃?xì)鉄崴鞒鏊诜胖脺囟葌鞲衅鳒y量冷水溫度、儲(chǔ)熱水箱出水溫度，即燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)口溫度、燃?xì)鉄崴鞒隹跍囟??；芈分蟹胖昧髁坑?jì)測量出水流量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)GB 6932—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌罚?8］對(duì)熱水性能的相關(guān)要求，進(jìn)行熱水溫升、停水溫升、加熱時(shí)間、熱水溫度穩(wěn)定性、熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間、水溫超調(diào)幅度、水溫波動(dòng)等項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中采集冷水進(jìn)水溫度、水箱熱水出水溫度、燃?xì)鉄崴鞒隹跍囟?、水流量、管路壓力等值，觀察經(jīng)過燃?xì)鉄崴骷訜岷笏疁厥欠襁_(dá)到設(shè)定溫度、太陽能水箱內(nèi)水溫變化時(shí)燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟仁欠衲芎愣?、使用過程中調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥時(shí)溫度波動(dòng)情況等，以驗(yàn)證燃?xì)鉄崴髋c太陽能熱水器聯(lián)合控制系統(tǒng)是否符合用戶使用要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 停水溫升值的分析

調(diào)節(jié)熱水器出水溫度比進(jìn)水溫度高（40±5）K，運(yùn)行10 min后，停止進(jìn)水，1 min后再次運(yùn)行，測定熱水的最高溫度。所測定的出熱水最高溫度值減去調(diào)定的熱水溫度值，即為停水溫升值。

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水溫度19℃，設(shè)定溫度59℃，進(jìn)水動(dòng)壓0.1 MPa。停水溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，設(shè)定溫度59℃，出水溫度穩(wěn)定在58.1℃，圖中第1次“OFF”點(diǎn)為關(guān)閉冷水進(jìn)水閥門，此時(shí)燃?xì)鉄崴飨ɑ穑? min后“ON”點(diǎn)重新打開進(jìn)水，熱水器啟動(dòng)，最高溫度為60.2℃，停水溫升為2.1℃；再次穩(wěn)定運(yùn)行，第2次“OFF”和“ON”處，出水穩(wěn)定溫度為58℃，最高溫度為60.6℃，停水溫升為2.6℃。技術(shù)要求停水溫升≤18 K，符合要求。

圖7 停水溫升溫度曲線圖

2.3.2 水溫超調(diào)幅度和熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間的分析

將燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟戎翟O(shè)定在比進(jìn)水溫度高（30±2）K，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，用增加水壓的方式調(diào)整水流量，使燃?xì)忾y門開至最大，最大水流量Qmax逐漸降低水流量至0.8Qmax，溫度穩(wěn)定后記錄溫度值tr。在2 s內(nèi)將水流量降低至0.6Qmax，同時(shí)測量出水溫度達(dá)到（tr±2）℃的時(shí)間；再將水流量迅速從0.6Qmax升高至0.8Qmax，測量出水溫度達(dá)到（tr±2）℃的時(shí)間，取降低和升高2次時(shí)間的平均值。以上過程的出水最高溫度和最低溫度的差值即為超調(diào)幅度。

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水溫度為19℃，設(shè)定溫度為49℃，Qmax為495 L／h。水溫超調(diào)幅度和熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，設(shè)定溫度49℃后，在流量由0.8Qmax降 低 為0.6Qmax時(shí)，出 水 溫 度 最 高 值 為50.9℃，熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間為20 s，流量再由0.6Qmax升高為0.8Qmax時(shí)，出水溫度最低值為46.6℃，熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間為30 s。因此實(shí)驗(yàn)過程中水溫超調(diào)幅度為＋2.5～－1.7℃，熱水溫升穩(wěn)定時(shí)間為25 s。

圖8 水溫超調(diào)幅度和熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間圖

2.3.3 水溫波動(dòng)的分析

將燃?xì)鉄崴鳒囟日{(diào)節(jié)至一定溫度，恒定水流量和進(jìn)水溫度，穩(wěn)定運(yùn)行5 min，在出水口測量出水溫度，10min內(nèi)測定的出水溫度最大值和最小值的偏差即為水溫波動(dòng)。水溫波動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 水溫波動(dòng)曲線圖

由圖9可知，恒定流量和恒定進(jìn)水溫度后，10 min內(nèi)測定的出水溫度最高值為58.8℃，最低值為57.9℃，溫差即水溫波動(dòng)為0.9℃。

2.3.4 加熱時(shí)間的分析

將熱水器溫度設(shè)定成高于進(jìn)水溫度（40±1）K，出熱水5 min后停止供燃?xì)猓钡匠?、入水溫相等后再重新啟?dòng)，測出熱水溫度達(dá)到比設(shè)定溫度低5℃時(shí)所需的時(shí)間。加熱時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 加熱時(shí)間溫度曲線圖

進(jìn)水溫度為19℃，設(shè)定溫度為59℃，溫度穩(wěn)定5 min后關(guān)閉燃?xì)鉄崴麟娫矗M(jìn)出水溫度一致后再打開燃?xì)鉄崴鲗⑺疁丶訜嶂?5℃。圖10中虛線區(qū)間為水溫從19℃加熱至55℃所用的時(shí)間，具體時(shí)間為11∶33∶55－11∶34∶30，總共35 s。

2.3.5 與太陽能熱水器水箱串聯(lián)使用的溫度波動(dòng)分析

為充分驗(yàn)證燃?xì)鉄崴髋c太陽能熱水器水箱串聯(lián)后的加熱情況，實(shí)驗(yàn)觀測模擬洗浴過程中調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥時(shí)淋浴噴頭出口溫度波動(dòng)情況。燃?xì)鉄崴鞒跏荚O(shè)定溫度為45℃，每次調(diào)節(jié)設(shè)定溫度幅度為5℃。太陽能水箱內(nèi)的初始溫度為55.8℃，持續(xù)用水直到水箱溫度低于燃?xì)鉄崴髟O(shè)定溫度，達(dá)到點(diǎn)火條件，燃?xì)鉄崴鞴ぷ鲗囟忍嵘藭r(shí)檢查出口的最高溫度是否出現(xiàn)極端高溫或溫度不穩(wěn)定等情況。調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥出水溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥出水溫度曲線圖

由圖11可以看出：

（1）初始設(shè)定溫度為45℃，當(dāng)太陽能水箱的溫度從55.8℃逐步降低，至進(jìn)入燃?xì)鉄崴鳒囟冗_(dá)到43℃時(shí)，燃?xì)鉄崴鼽c(diǎn)火，點(diǎn)火溫度低于設(shè)定溫度2℃。點(diǎn)火后出水溫度達(dá)到最高值49℃，高于設(shè)定溫度4℃，此后溫度逐漸降低后穩(wěn)定在44.2℃。出現(xiàn)高溫的原因是每次熱水器斷電后再通電運(yùn)行，程序有自適應(yīng)過程，如果不斷電持續(xù)運(yùn)行則上述情況可以避免。

（2）燃?xì)鉄崴鳒囟仍O(shè)定為50℃，此時(shí)僅調(diào)節(jié)火力，溫度穩(wěn)定在49.1℃，出現(xiàn)的最高溫度值為52℃。溫度穩(wěn)定后，關(guān)閉混水閥，約15 s后再打開，檢測到最低水溫43.7℃。這是由于管路里的水冷卻造成的，燃?xì)鉅t開啟，溫度穩(wěn)定在49℃。

（3）燃?xì)鉄崴鳒囟仍O(shè)定為55℃，調(diào)節(jié)火力，出現(xiàn)了瞬時(shí)的溫度尖峰56.9℃，溫度穩(wěn)定在54.1℃，再次打開混水閥，管路內(nèi)的溫度為42.3℃，點(diǎn)火后的溫度最高達(dá)到56℃，之后穩(wěn)定在54℃。

（4）燃?xì)鉄崴鳒囟仍O(shè)定60℃點(diǎn)火后，仍然只調(diào)節(jié)火力，流量不變，溫度穩(wěn)定在59.1℃。關(guān)閉混水閥，再次點(diǎn)火，最高溫度63℃，再次穩(wěn)定在59.4℃。

（5）燃?xì)鉄崴鳒囟仍O(shè)定為65℃，溫度穩(wěn)定在64℃，關(guān)閉混水閥后再次打開，此時(shí)程序同時(shí)調(diào)節(jié)火力和流量，因此溫度波動(dòng)比較大，管路內(nèi)水溫為52.3℃時(shí)，最高溫度達(dá)到70.7℃，穩(wěn)定在63.7℃；重復(fù)1次實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉混水閥后再打開，結(jié)果一致。由于一般洗浴過程中不會(huì)將水溫設(shè)置超過60℃，因此該現(xiàn)象不會(huì)影響洗浴過程的體驗(yàn)。

（6）再次將溫度設(shè)定為60、55℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和升溫調(diào)節(jié)一致，溫度穩(wěn)定，開關(guān)閥前后有溫度瞬變。

針對(duì)出現(xiàn)溫度尖峰的情況，分析查找原因，最終確認(rèn)為燃?xì)獗壤y初始開度默認(rèn)值過大，導(dǎo)致點(diǎn)火瞬間出現(xiàn)溫度尖峰，根據(jù)出水溫度反饋控制調(diào)節(jié)后才趨于平穩(wěn)。為此對(duì)控制程序進(jìn)行改進(jìn)，降低燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)閥初始開度，再次進(jìn)行水溫波動(dòng)實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)控制后的調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥出水溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 改進(jìn)控制后的調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和開關(guān)混水閥出水溫度曲線圖

圖12中，a處為關(guān)閉水箱出水口閥門之后再打開時(shí)的溫度波動(dòng)情況；b處為關(guān)閉燃?xì)鉄崴鳎俅蜷_后的出水溫度波動(dòng)情況；c處為將燃?xì)鉄崴鳒囟仍O(shè)置為45℃，關(guān)閉混水閥后，然后再次打開混水閥的水溫波動(dòng)情況；d、e、f、g、h、i處是出水不關(guān)閉，將設(shè)定溫度依次調(diào)整為50、55、60、55、50、45℃時(shí)的出水溫度變化情況；j、k處依次為設(shè)定溫度升高為55、65℃，關(guān)閉混水閥，然后再次打開混水閥的溫度波動(dòng)情況。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，調(diào)整控制程序后燃?xì)鉄崴鞒隹跍囟燃夥逑?，出水恒溫性得到明顯改善。

將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)GB 6932—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌罚?8］進(jìn)行驗(yàn)證，燃?xì)鉄崴鞯臒崴阅芨黜?xiàng)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 熱水性能參數(shù)的結(jié)果表

由表1可知，在太陽能水箱溫度從高到低變化過程中燃?xì)鉄崴鬟\(yùn)行穩(wěn)定，太陽能熱水器水箱的水經(jīng)過燃?xì)鉄崴骷訜岷蟪鏊疁囟饶軌蜻_(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定。進(jìn)水壓力發(fā)生變化或者用水過程中開關(guān)出水閥門，燃?xì)鉄崴飨ɑ鸷笾匦聠?dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的水溫波動(dòng)，波動(dòng)范圍不超過3℃。系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制具有可行性。

2.3.6 系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

按照GB／T 19141—2011《家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》［19］，在日太陽輻照量為17 MJ／m2條件下，日有用得熱量實(shí)測值為8.0 MJ／m2，即系統(tǒng)平均熱效率為47%。在山東力諾瑞特新能源有限公司檢測中心進(jìn)行全年太陽輻照的監(jiān)測，得到月度平均日太陽輻照量（42°）實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 濟(jì)南月平均日太陽輻照測試數(shù)據(jù)表

由太陽能熱水器效率計(jì)算可得：冷水溫度為15℃，當(dāng)日太陽輻照量＜11MJ／m2時(shí)，水箱內(nèi)的溫度＜40℃，無法直接使用，通過與燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)合能夠使用。實(shí)測數(shù)據(jù)中，日太陽輻照量＜11 MJ／m2的共127 d，合計(jì)被太陽能熱水器接收并通過燃?xì)鉄崴骼玫哪芰繛?85 MJ／m2；日太陽輻照量＞11 MJ／m2共238 d，水箱溫度＞40℃，太陽能熱水可直接使用，直至水箱溫度下降到40℃，由熱水輸出率實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此時(shí)水箱上部溫度為40℃，底部溫度為冷水溫度15℃，水箱平均溫度為25℃，即太陽能的能量尚有10℃的溫差在水箱中可以被燃?xì)鉄崴骼?，每天可?jié)能21 MJ／m2，合計(jì)節(jié)能500 MJ／m2。通過太陽能和燃?xì)獾穆?lián)合應(yīng)用，全年累計(jì)可節(jié)約能量為885 MJ／m2，案例中4 m2集熱器的太陽能熱水器，共節(jié)能3 540 MJ，即折合電能983 kWth。

3 結(jié)論

文章制定了太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制系統(tǒng)的方案，并通過實(shí)驗(yàn)研究得到了如下結(jié)論：

（1）太陽能使用燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源，二者聯(lián)合后各項(xiàng)熱水性能參數(shù)均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制系統(tǒng)具有可行性，能夠保障用戶的使用體驗(yàn)。

（2）太陽能與燃?xì)鉄崴髀?lián)合控制系統(tǒng)的年節(jié)能量可觀，達(dá)到3 540 MJ，表明聯(lián)合控制能最大化利用太陽能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是一種較好的多能互補(bǔ)熱水供應(yīng)方式。