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

張宗團(tuán)

(中鐵城建集團(tuán)有限公司 湖南長沙 410000)

1 引言

國際社會普遍認(rèn)為減少碳排放已迫在眉睫，目前我國95%以上的建筑屬于高能耗建筑，建筑能耗占全國能耗近30%，嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖能耗消耗尤為嚴(yán)重，因此近年來國家大力倡導(dǎo)發(fā)展新型供暖熱源，利用太陽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間短，室外平均氣溫降低等影響，單一的太陽能無法完全滿足建筑供暖需求，因此太陽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)換時刻難以準(zhǔn)確把握；另外在太陽能和輔助熱源共同使用時，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，無法形成系統(tǒng)化的供暖措施，造成太陽能供暖成本升高，使得太陽能技術(shù)難以推廣，因此如何實現(xiàn)自動化控制是發(fā)展和推廣太陽能多熱源供暖技術(shù)的一項重要任務(wù)。本文從廣義太陽能利用角度出發(fā)，結(jié)合蘭州金誠鐵路混凝土公司新建辦公樓項目太陽能供暖工程，討論在嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽能的多熱源供暖系統(tǒng)自動化控制的理念和措施。

2 工程背景

2.1 項目設(shè)計概況

蘭州金誠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)計負(fù)荷為92.25 kW，因遠(yuǎn)離市區(qū)，無集中供暖管網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)，供暖熱源初步設(shè)計為30套太陽能集熱器+3臺空氣源熱泵+1臺35 kW功率可調(diào)電鍋爐+1套太陽能電補(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，期間外界因素如室外溫度、白晝時長、光照強(qiáng)度等雖有循序漸進(jìn)變化規(guī)律，但太陽能集熱器、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)，太陽能集熱器的效率可達(dá)30%以上，出水溫度在50℃以上[4]。通過保溫措施加強(qiáng)白天高溫水的儲存，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，日照時長縮短，集熱器效率大大降低，出水溫度將無法滿足供暖需求，但這時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]。太陽能集熱器電補(bǔ)系統(tǒng)是一種新型產(chǎn)品，直接能量來源同電鍋爐，因其獨(dú)特設(shè)計，可直接在供暖系統(tǒng)總進(jìn)水管上快速實現(xiàn)水溫提升，有效補(bǔ)充前面熱源出水溫度不達(dá)標(biāo)問題，保證系統(tǒng)能完全滿足設(shè)計要求和供暖效果。

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

3 多熱源供暖系統(tǒng)自動化控制技術(shù)

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

針對該項目熱源設(shè)計種類復(fù)雜，為有效集合和最大發(fā)揮各熱源優(yōu)點，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)致的難以通過簡單的人為行動實現(xiàn)實時熱源切換和相應(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)合對各種熱源使用條件、能耗等分析，提出自動控制理念，才可在滿足供暖要求的同時降低能耗。尤其在供暖期初期及末期遇陰雨天和雪天時，太陽能集熱器效率將會大大降低，將無法滿足供暖需求，需啟動空氣源熱泵，不利天氣過后，熱源又需切換到集熱器，同時在初期向中期及中期向末期過渡期內(nèi)，太陽能集熱器在白天的工作效率還是比較高，但晝間需啟動空氣源熱泵。以上各熱源轉(zhuǎn)換和啟停時間在沒有嚴(yán)格意義界定區(qū)間的條件下，需對熱源出水溫度、系統(tǒng)供回水溫度進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測溫度記錄反饋到自控中心(微電腦)后，通過計算機(jī)運(yùn)行計算后輸出熱源啟停信號，實現(xiàn)多熱源供暖系統(tǒng)自動化控制。

3.2 自動控制原理及系統(tǒng)組成

通過前述分析，嚴(yán)寒地區(qū)多熱源供暖系統(tǒng)熱源啟停和輸出功率實現(xiàn)自動控制，需將溫度作為控制對象，通過相應(yīng)位置溫度監(jiān)測，評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剩情況，進(jìn)而明確下一步控制目標(biāo)。因此采取的自動控制主要措施為: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)合電磁閥對管道開閉進(jìn)行控制[9]，另一方面通過傳感器將溫度信號傳輸?shù)轿㈦娔X后經(jīng)過其自動計算得知需要啟停的熱源功率，也通過接觸器和空氣開關(guān)啟閉熱源工作的數(shù)量和輸出功率[10]。自動控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)組成示意

微電腦控制中心是通過軟件集成系統(tǒng)，將溫度傳感器輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，按照預(yù)先設(shè)定的控制程序，計算后再輸出信號，控制接觸器吸合與分開，進(jìn)而實現(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)利用太陽能的多熱源供暖系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)工作過程

(1)供暖初期陽光較充足，太陽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溫度值低于設(shè)計供水溫度時，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，當(dāng)換熱水箱供水管道上溫度傳感器感測溫度低于設(shè)計供水溫度，且回水管道上溫度傳感器感測溫度值大于太陽能集熱器回水管道上的溫度傳感器感測溫度值時，控制太陽能集熱器增壓泵和其管道上電磁閥啟停的接觸器吸合，太陽能集熱器停止運(yùn)行，同樣的道理，啟動電鍋爐、太陽能電補(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溫度值大于設(shè)計回水溫度時，太陽能電補(bǔ)系統(tǒng)接觸器斷開，太陽能電補(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溫度值大于設(shè)計回水溫度，且室內(nèi)溫度傳感器感測溫度值大于設(shè)計值時，控制空氣源熱泵的接觸器斷開，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關(guān)也斷開，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，單臺空氣源熱泵制熱功率無法滿足要求，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)計時會配置幾臺同型號設(shè)備，另外電鍋爐選用可調(diào)節(jié)使用功率類的，達(dá)到需多少開啟多少，為了最大化地使用經(jīng)濟(jì)的太陽能資源，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]，在自動控制中加入了微電腦計算。在供暖初期，雖然太陽光照較強(qiáng)，但如遇陰天或光照減弱時，太陽能集熱器的出水溫度達(dá)不到供暖設(shè)計供水溫度的要求，或系統(tǒng)回水管道溫度值低于太陽能集熱器加熱后水的溫度值時，這時需啟動空氣源熱泵，多臺空氣源熱泵全部啟動必將使得回水溫度過高，造成資源浪費(fèi)，因此自控系統(tǒng)微電腦計算機(jī)將采暖系統(tǒng)回水管道溫度值與設(shè)計值對比，計算溫差和需要啟動的熱源功率，發(fā)出啟動空氣源熱泵臺數(shù)的信號；我們預(yù)先為空氣源熱泵編號，根據(jù)收到的啟動信號有順序、按需啟動空氣源熱泵。相應(yīng)的原理啟動功率可調(diào)的電鍋爐。

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

圖2 利用太陽能的多熱源采暖系統(tǒng)運(yùn)行原理

多熱源供暖系統(tǒng)自動控制的具體運(yùn)行過程如下:

首先我們根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，將供暖進(jìn)水溫度T、回水溫度T0、設(shè)計供暖房間溫度t輸入微電腦系統(tǒng)，在采暖期來臨時，開啟采暖系統(tǒng)電源(自控系統(tǒng)電源同步開啟)，B1泵自動啟動，采暖系統(tǒng)開始供暖，相應(yīng)傳感器感測的溫度值通過信號線傳輸?shù)轿㈦娔X，微電腦自動計算。當(dāng)T2≤T1時，B4、B2啟動，微電腦輸出常閉電磁閥開啟信號并控制其打開，將采暖系統(tǒng)回水注入膨脹水箱，并經(jīng)過太陽能集熱器加熱后進(jìn)入供暖系統(tǒng)，向建筑物供暖。當(dāng)T6＜T，T2＜T3時，B5啟動，空氣源熱泵運(yùn)行；當(dāng)T6＜T，但T2＞T3時，B2、B4關(guān)閉，控制F1常閉電磁閥的繼電器斷開，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，B3啟動，電鍋爐運(yùn)行，B5繼續(xù)啟動，空氣源熱泵依舊運(yùn)行；當(dāng)T2＜T0且T6＞T5時，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。反過來當(dāng)T2＞T0且T7＞t時電補(bǔ)系統(tǒng)繼電器斷開，同樣原理停止電鍋爐，若依舊T2＞T0且T7＞t時，B5停止運(yùn)行，同時B2、B4啟動，常閉電磁閥開啟，供暖期結(jié)束后，自控系統(tǒng)關(guān)閉。

4 應(yīng)用效果

蘭州金誠鐵路混凝土公司新建辦公樓工程利用太陽能的多熱源采暖系統(tǒng)，通過采用自動控制系統(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)計自2015年10月投入使用以來數(shù)據(jù)，采暖期內(nèi)室內(nèi)溫度可達(dá)24℃以上，每個采暖周期費(fèi)用相比采用燃煤作為采暖熱源可節(jié)約成本10萬余元，同時節(jié)約人工成本2萬余元，按照設(shè)備使用15年的壽命計算，總節(jié)約成本180余萬元，且可減少環(huán)境污染。

5 結(jié)論

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

(1)通過在管道等一定位置設(shè)置溫度傳感器，并將獲得的信號經(jīng)微電腦計算后輸出，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)換時刻難以準(zhǔn)確把握難題。

(2)在太陽能和輔助熱源共同使用時，通過微電腦自動計算供暖實時負(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。