嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能的多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)研究

張宗團(tuán)

(中鐵城建集團(tuán)有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000)

1 引言

國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為減少碳排放已迫在眉睫，目前我國(guó)95%以上的建筑屬于高能耗建筑，建筑能耗占全國(guó)能耗近30%，嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖能耗消耗尤為嚴(yán)重，因此近年來(lái)國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展新型供暖熱源，利用太陽(yáng)能供暖可降低供暖成本，是環(huán)保節(jié)能新措施。但嚴(yán)寒地區(qū)受限于冬季采暖期日均光照時(shí)間短，室外平均氣溫降低等影響，單一的太陽(yáng)能無(wú)法完全滿足建筑供暖需求，因此太陽(yáng)能輔以其他熱源形成的多熱源供暖系統(tǒng)為嚴(yán)寒地區(qū)建筑供暖提供了新思路[1]。但因環(huán)境因素非規(guī)律性變化，導(dǎo)致各熱源間的轉(zhuǎn)換時(shí)刻難以準(zhǔn)確把握；另外在太陽(yáng)能和輔助熱源共同使用時(shí)，需控制輔助熱源的投入功率，才可降低供暖能耗[2]。以上這些措施如采用人工控制，不僅成本高、工作量大，而且精度低，無(wú)法形成系統(tǒng)化的供暖措施，造成太陽(yáng)能供暖成本升高，使得太陽(yáng)能技術(shù)難以推廣，因此如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是發(fā)展和推廣太陽(yáng)能多熱源供暖技術(shù)的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文從廣義太陽(yáng)能利用角度出發(fā)，結(jié)合蘭州金誠(chéng)鐵路混凝土公司新建辦公樓項(xiàng)目太陽(yáng)能供暖工程，討論在嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能的多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)化控制的理念和措施。

2 工程背景

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)概況

蘭州金誠(chéng)鐵路混凝土公司新建辦公樓為3層框架體系結(jié)構(gòu)，總建筑面積1 512.6 m2，供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷為92.25 kW，因遠(yuǎn)離市區(qū)，無(wú)集中供暖管網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)，供暖熱源初步設(shè)計(jì)為30套太陽(yáng)能集熱器+3臺(tái)空氣源熱泵+1臺(tái)35 kW功率可調(diào)電鍋爐+1套太陽(yáng)能電補(bǔ)系統(tǒng)[3]。

2.2 嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境條件和各熱源設(shè)備綜合分析

嚴(yán)寒地區(qū)冬季采暖周期長(zhǎng)，期間外界因素如室外溫度、白晝時(shí)長(zhǎng)、光照強(qiáng)度等雖有循序漸進(jìn)變化規(guī)律，但太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵、電鍋爐等在各階段工作效果和使用成本不盡相同。在采暖期初期及末期，室外溫度在-5℃左右，但在白天，光照較強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器的效率可達(dá)30%以上，出水溫度在50℃以上[4]。通過(guò)保溫措施加強(qiáng)白天高溫水的儲(chǔ)存，晴天天氣下可完全滿足供暖要求，但在采暖期中期，隨著室外溫度降低，日照時(shí)長(zhǎng)縮短，集熱器效率大大降低，出水溫度將無(wú)法滿足供暖需求，但這時(shí)空氣源熱泵出水溫度可達(dá)55℃左右，效率值在2.3∶1左右，其使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電能[5]。電鍋爐使用成本高，但可以在電路系統(tǒng)正常的情況下，全面消除天氣等外界因素的影響，還可以在空氣源熱泵出水溫度較低時(shí)作為補(bǔ)充熱源，提供恒定的出水溫度，保證供暖系統(tǒng)運(yùn)行不間斷，但電鍋爐輸出功率需按需投入，控制輸出功率才能降低供暖成本[6]。太陽(yáng)能集熱器電補(bǔ)系統(tǒng)是一種新型產(chǎn)品，直接能量來(lái)源同電鍋爐，因其獨(dú)特設(shè)計(jì)，可直接在供暖系統(tǒng)總進(jìn)水管上快速實(shí)現(xiàn)水溫提升，有效補(bǔ)充前面熱源出水溫度不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，保證系統(tǒng)能完全滿足設(shè)計(jì)要求和供暖效果。

另外需要注意的是，在室外溫度較低時(shí)，集熱器及進(jìn)出水管道內(nèi)水結(jié)冰后會(huì)導(dǎo)致管道凍損等，應(yīng)采取措施對(duì)其保護(hù)；且在偶遇極端天氣時(shí)，需要對(duì)管道及設(shè)備進(jìn)行防凍保護(hù)[7]。

3 多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)

3.1 嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能的多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)控制的必要性

針對(duì)該項(xiàng)目熱源設(shè)計(jì)種類(lèi)復(fù)雜，為有效集合和最大發(fā)揮各熱源優(yōu)點(diǎn)，保證供暖效果，需克服外界環(huán)境條件變化規(guī)律非線性導(dǎo)致的難以通過(guò)簡(jiǎn)單的人為行動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱源切換和相應(yīng)熱源輸出功率大小的難題[8]，在充分研究該規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)各種熱源使用條件、能耗等分析，提出自動(dòng)控制理念，才可在滿足供暖要求的同時(shí)降低能耗。尤其在供暖期初期及末期遇陰雨天和雪天時(shí)，太陽(yáng)能集熱器效率將會(huì)大大降低，將無(wú)法滿足供暖需求，需啟動(dòng)空氣源熱泵，不利天氣過(guò)后，熱源又需切換到集熱器，同時(shí)在初期向中期及中期向末期過(guò)渡期內(nèi)，太陽(yáng)能集熱器在白天的工作效率還是比較高，但晝間需啟動(dòng)空氣源熱泵。以上各熱源轉(zhuǎn)換和啟停時(shí)間在沒(méi)有嚴(yán)格意義界定區(qū)間的條件下，需對(duì)熱源出水溫度、系統(tǒng)供回水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)溫度記錄反饋到自控中心(微電腦)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行計(jì)算后輸出熱源啟停信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

3.2 自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)組成

通過(guò)前述分析，嚴(yán)寒地區(qū)多熱源供暖系統(tǒng)熱源啟停和輸出功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需將溫度作為控制對(duì)象，通過(guò)相應(yīng)位置溫度監(jiān)測(cè)，評(píng)定正在工作的熱源是否滿足目前需要以及是否存在輸出過(guò)剩情況，進(jìn)而明確下一步控制目標(biāo)。因此采取的自動(dòng)控制主要措施為:接觸器、繼電器等電器元件控制電路系統(tǒng)，進(jìn)而控制熱源設(shè)備和水泵的啟停，結(jié)合電磁閥對(duì)管道開(kāi)閉進(jìn)行控制[9]，另一方面通過(guò)傳感器將溫度信號(hào)傳輸?shù)轿㈦娔X后經(jīng)過(guò)其自動(dòng)計(jì)算得知需要啟停的熱源功率，也通過(guò)接觸器和空氣開(kāi)關(guān)啟閉熱源工作的數(shù)量和輸出功率[10]。自動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成示意

微電腦控制中心是通過(guò)軟件集成系統(tǒng)，將溫度傳感器輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的控制程序，計(jì)算后再輸出信號(hào)，控制接觸器吸合與分開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵機(jī)組、管道增壓泵、電磁閥等的電路系統(tǒng)控制[11]。

3.3 嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能的多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)工作過(guò)程

(1)供暖初期陽(yáng)光較充足，太陽(yáng)能集熱器將加熱后的水注入高位膨脹水箱，膨脹水箱的水再注入換熱水箱，當(dāng)換熱水箱供水管道上安裝的溫度傳感器感測(cè)溫度值低于設(shè)計(jì)供水溫度時(shí)，控制空氣源熱泵和其管道上電磁閥啟停的接觸器吸合[12]，空氣源熱泵啟動(dòng)，當(dāng)換熱水箱供水管道上溫度傳感器感測(cè)溫度低于設(shè)計(jì)供水溫度，且回水管道上溫度傳感器感測(cè)溫度值大于太陽(yáng)能集熱器回水管道上的溫度傳感器感測(cè)溫度值時(shí)，控制太陽(yáng)能集熱器增壓泵和其管道上電磁閥啟停的接觸器吸合，太陽(yáng)能集熱器停止運(yùn)行，同樣的道理，啟動(dòng)電鍋爐、太陽(yáng)能電補(bǔ)系統(tǒng)。

(2)供暖末期隨著天氣變熱，光照強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器效率回升，當(dāng)供暖系統(tǒng)回水管道上溫度傳感器感測(cè)溫度值大于設(shè)計(jì)回水溫度時(shí)，太陽(yáng)能電補(bǔ)系統(tǒng)接觸器斷開(kāi)，太陽(yáng)能電補(bǔ)系統(tǒng)停止運(yùn)行，同樣原理停止電鍋爐，當(dāng)供暖系統(tǒng)回水管道上溫度傳感器感測(cè)溫度值大于設(shè)計(jì)回水溫度，且室內(nèi)溫度傳感器感測(cè)溫度值大于設(shè)計(jì)值時(shí)，控制空氣源熱泵的接觸器斷開(kāi)，空氣源熱泵停止運(yùn)行，控制相應(yīng)增壓泵的接觸器引起空氣開(kāi)關(guān)也斷開(kāi)，直到供暖期結(jié)束，自控系統(tǒng)總電源關(guān)閉。

(3)一般的采暖系統(tǒng)中，單臺(tái)空氣源熱泵制熱功率無(wú)法滿足要求，并且需考慮到設(shè)備維修需要，在設(shè)備維修期間為不影響供暖系統(tǒng)使用，因此采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)配置幾臺(tái)同型號(hào)設(shè)備，另外電鍋爐選用可調(diào)節(jié)使用功率類(lèi)的，達(dá)到需多少開(kāi)啟多少，為了最大化地使用經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能資源，以及使用成本較低的空氣源熱泵，盡可能少使用或者不使用昂貴的電能[13]，在自動(dòng)控制中加入了微電腦計(jì)算。在供暖初期，雖然太陽(yáng)光照較強(qiáng)，但如遇陰天或光照減弱時(shí)，太陽(yáng)能集熱器的出水溫度達(dá)不到供暖設(shè)計(jì)供水溫度的要求，或系統(tǒng)回水管道溫度值低于太陽(yáng)能集熱器加熱后水的溫度值時(shí)，這時(shí)需啟動(dòng)空氣源熱泵，多臺(tái)空氣源熱泵全部啟動(dòng)必將使得回水溫度過(guò)高，造成資源浪費(fèi)，因此自控系統(tǒng)微電腦計(jì)算機(jī)將采暖系統(tǒng)回水管道溫度值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，計(jì)算溫差和需要啟動(dòng)的熱源功率，發(fā)出啟動(dòng)空氣源熱泵臺(tái)數(shù)的信號(hào)；我們預(yù)先為空氣源熱泵編號(hào)，根據(jù)收到的啟動(dòng)信號(hào)有順序、按需啟動(dòng)空氣源熱泵。相應(yīng)的原理啟動(dòng)功率可調(diào)的電鍋爐。

在供暖末期設(shè)備的啟停和運(yùn)行原理同上，下面以三臺(tái)空氣源熱泵、一臺(tái)可調(diào)功率的電鍋爐和一組可調(diào)功率的太陽(yáng)能集熱器電補(bǔ)系統(tǒng)為熱源說(shuō)明具體的控制方式和過(guò)程。運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 利用太陽(yáng)能的多熱源采暖系統(tǒng)運(yùn)行原理

多熱源供暖系統(tǒng)自動(dòng)控制的具體運(yùn)行過(guò)程如下:

首先我們根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將供暖進(jìn)水溫度T、回水溫度T0、設(shè)計(jì)供暖房間溫度t輸入微電腦系統(tǒng)，在采暖期來(lái)臨時(shí)，開(kāi)啟采暖系統(tǒng)電源(自控系統(tǒng)電源同步開(kāi)啟)，B1泵自動(dòng)啟動(dòng)，采暖系統(tǒng)開(kāi)始供暖，相應(yīng)傳感器感測(cè)的溫度值通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)轿㈦娔X，微電腦自動(dòng)計(jì)算。當(dāng)T2≤T1時(shí)，B4、B2啟動(dòng)，微電腦輸出常閉電磁閥開(kāi)啟信號(hào)并控制其打開(kāi)，將采暖系統(tǒng)回水注入膨脹水箱，并經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器加熱后進(jìn)入供暖系統(tǒng)，向建筑物供暖。當(dāng)T6＜T，T2＜T3時(shí)，B5啟動(dòng)，空氣源熱泵運(yùn)行；當(dāng)T6＜T，但T2＞T3時(shí)，B2、B4關(guān)閉，控制F1常閉電磁閥的繼電器斷開(kāi)，蓄熱水箱和換熱水箱間不再進(jìn)行水循環(huán)。當(dāng)T2＜T0且T6＞T4時(shí)，B3啟動(dòng)，電鍋爐運(yùn)行，B5繼續(xù)啟動(dòng)，空氣源熱泵依舊運(yùn)行；當(dāng)T2＜T0且T6＞T5時(shí)，電補(bǔ)系統(tǒng)繼電器吸合，電補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行，B3、B5不停止。反過(guò)來(lái)當(dāng)T2＞T0且T7＞t時(shí)電補(bǔ)系統(tǒng)繼電器斷開(kāi)，同樣原理停止電鍋爐，若依舊T2＞T0且T7＞t時(shí)，B5停止運(yùn)行，同時(shí)B2、B4啟動(dòng)，常閉電磁閥開(kāi)啟，供暖期結(jié)束后，自控系統(tǒng)關(guān)閉。

4 應(yīng)用效果

蘭州金誠(chéng)鐵路混凝土公司新建辦公樓工程利用太陽(yáng)能的多熱源采暖系統(tǒng)，通過(guò)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制多熱源的啟停和輸出功率，有效降低了供暖成本，統(tǒng)計(jì)自2015年10月投入使用以來(lái)數(shù)據(jù)，采暖期內(nèi)室內(nèi)溫度可達(dá)24℃以上，每個(gè)采暖周期費(fèi)用相比采用燃煤作為采暖熱源可節(jié)約成本10萬(wàn)余元，同時(shí)節(jié)約人工成本2萬(wàn)余元，按照設(shè)備使用15年的壽命計(jì)算，總節(jié)約成本180余萬(wàn)元，且可減少環(huán)境污染。

5 結(jié)論

在嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能的多熱源供暖系統(tǒng)中采用自動(dòng)控制技術(shù)，我們?nèi)〉昧艘韵滦Ч徒Y(jié)論:

(1)通過(guò)在管道等一定位置設(shè)置溫度傳感器，并將獲得的信號(hào)經(jīng)微電腦計(jì)算后輸出，控制熱源設(shè)備啟停，克服了嚴(yán)寒地區(qū)因環(huán)境因素變化非線性規(guī)律導(dǎo)致各熱源間轉(zhuǎn)換時(shí)刻難以準(zhǔn)確把握難題。

(2)在太陽(yáng)能和輔助熱源共同使用時(shí)，通過(guò)微電腦自動(dòng)計(jì)算供暖實(shí)時(shí)負(fù)荷和所需投入能耗，控制輔助熱源的投入功率，在最大化利用低能耗設(shè)備的同時(shí)避免了高能耗設(shè)備額外投入使用，降低供暖成本，消除了傳統(tǒng)“看天燒煤”慢一步節(jié)奏的弊端，更節(jié)約了人工成本。

(3)該技術(shù)使得太陽(yáng)能在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用于采暖系統(tǒng)更加便捷經(jīng)濟(jì)，可加速太陽(yáng)能的推廣應(yīng)用，而且在節(jié)能減排方面也具有重要意義。同時(shí)該技術(shù)還為利用地源熱泵、生物質(zhì)能等的多熱源供暖系統(tǒng)中熱源間如何互補(bǔ)利用提供了解決措施。