| 标题 | 多模式多策略太阳能热水控制器的设计 |
| 范文 | 赖晓勇+姜周曙+黄国辉+王剑+阮志鹏 摘 ?要： 针对现有太阳能热水控制器存在的模式单一的问题，提出了多模式热水控制器的设计方案。预设的20种工程模式适用于60%左右的太阳能热水工程，可以根据工程类型进行选择下载安装相应的程序。为了使太阳能热水工程更节能，采取了多时间段多策略的控制策略，可以根据系统实际情况进行个性化的最佳控制策略选择和控制参数最优设置。介绍了多模式多策略控制器的结构、功能和特点，并且对控制器方案进行了合理性验证及技术经济指标分析。该控制器已应用于多个太阳能热水工程中，应用结果表明：控制器运行稳定，应用场合广，技术经济指标优异，极大地提高太阳能热水控制器的适应性和太阳能热水工程的节能减排效率。 关键字： 太阳能; 控制策略; 多模式热水控制器; 技术指标分析 中图分类号： TN919?34; TP24 ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2014）24?0150?04 Design of multi?mode and multi?strategy solar water heating controller LAI Xiao?yong， JIANG Zhou?shu， HUANG Guo?hui， WANG Jian， RUAN Zhi?peng （Automation College， Hangzhou DianZi University， Hangzhou 310018， China） Abstract： To solve the problem of singular mode of available solar water heating controller， a design scheme of multi?mode solar water heating controller is proposed in this paper. The 20 pre?set modes applies to about 60% solar water heating projects. The relative program can be downloaded and installed according to the project type. In order to save more energy， the solar water heating project adopts the multi?period and multi?strategy control policy， which can select the optimal control policy and set the personalized optimum control parameter based on the real condition. The structure， function and features of the multi?mode and multi?strategy controller are introduced in this paper. The rationality of the scheme was verified and the specifications of the design were analyzed. This controller has already been applied to several solar water heating projects. The results indicate that the controller is of great stability， extensive application occasion， excellent techno?economic indicator， which greatly improves the adaptability of the solar water heating controller and the energy saving efficiency of projects. Keywords： solar energy; control strategy; multi?mode water heating controller; specification analysis 0 ?引 ?言 太阳能作为无污染的绿色能源，是实现“节能减排”的有效手段。随着政府对节能减排重视程度地不断提高，以及鼓励太阳能热利用发展的政策相继出台，使得太阳能热水系统的工程市场得到迅速发展[1?2]。 虽然我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但其发展主要是在集热板的材料和结构上，与太阳能热水器配套的控制器却一直处于初步的研究和开发阶段[3?6]。太阳能控制器承担了太阳能热水工程运行现场的全部监控信息，它的功能和质量直接影响着系统的运行性能，是太阳能热水工程现场监控的核心部件。由于用户需求模式复杂，且太阳能受季节和天气影响较大，因此在保证热水供应充足的基础上，如何充分利用太阳能以减少辅助能源的消耗，这对控制系统提出较高的要求。现有太阳能热水控制器大多采用了单一固定的电路板，对于不同用户需求采用不同程序[7?9]。不同类型的工程程序不同，不但质量难以保证，系统扩展性差，而且控制水平参差不齐，节能效率不高，故无法满足用户的个性化设置及太阳能热水工程发展的需求。因此，对太阳能热水工程进行更精确地监控和实现控制器的标准化已成为了太阳能热利用行业亟待解决的问题。 本文提出了多模式多策略触摸型控制器的设计方案，用户可以通过控制器对系统的运行状态、各项指标进行实时监测，根据工程的具体情况配置相应的工程模式，选择合适的控制策略及控制参数对热水系统中的泵、阀门进行实时控制。同时，用户可在控制器中手动对热水系统中的泵、阀门进行强制开启/停止操作。 1 ?控制器结构 现场控制器设备由模拟量采集模块和开关量输出模块和类型多样的控制器构成。采用了总线结构，模块之间通过RS 485连接，均采用标准的Modbus协议进行通信。不管工程大小，都可以通过增加模拟量采集模块和开关量控制模块的方法进行任意扩展。同时采用了通用模块，不管工程大小、类型差别，本模拟量模块和开关量模块的硬件结构和程序都是统一的。这给生产、管理、维修等方面都带来便利。 触摸屏控制器是现场监控设备的核心仪表，不但操作方便，色彩逼真，可以完成图表、动画、文字多视角信息的显示，而且用户可以根据自己的需要从控制器中提取大量的历史数据与报警信息。控制器通过读取由模拟量采集器采集到的温度值和液位值，根据预定的控制逻辑产生相应地控制信号，并将控制信号发送给开关量输出板进行现场控制。 模拟量采集模块能够实时精确地采集到各温度值、液位值，采集到的数据通过信号线传输到控制器中，在触摸屏中进行显示、处理与分析。 开关量控制模块不仅能够通过自身指示灯的亮暗表示当前状态下现场各种泵阀的启停状态，还可以根据触摸型控制器发出的控制信息来打开或关闭继电器，从而实现现场设备的启停。同时其带有的4路开关量输入模块可以获取系统的开关量，如液位开关等。 2 ?控制器功能设计 控制器的功能结构图如图1所示。 从图1中可以看出，本控制器的控制功能丰富，可以满足用户的个性化设置。在控制逻辑中，强制的级别是最高的，其次是故障，只有在上述两者不出现的情况下并且满足相应的条件，系统才会实现相应的控制功能;在“实时曲线”和“历史查询”界面中，用户可以实时查看和分析相应的运行信息曲线图和表格数据;在“强制开关”界面中，用户可以根据需要来控制集热循环泵、上水阀、管道循环、电加热、热泵加热、伴热带的启停，强制开关的优先级是最高的，即使出现故障，用户也可以根据自己的意愿来控制相应器件的开启和关闭;在“常用设置”界面中，用户可以对集热温差循环等一些常用的运行参数进行设置;在“其他设置”界面中，用户可以对其他参数，传感器的选择等选项进行一些更深层次的设置，从而使控制器处于更优异的运行状态。 3 ?控制逻辑优化 （1） 为了提高控制器的适应性，提出了带有多种热水工程的控制策略的方案。楼宇结构种类众多、用户需求更是千差万别，但总体上有一定的规律可循。本控制器采用通用触摸屏作为操作控制器，并将现有常见的近20种不同类型热水工程控制策略进行归纳整理，用户可根据自己的工程类型进行选择，下载安装相应的程序。 （2） 本控制器增加了智能设置模式，用户只需选择使用场合和最基本的参数，系统就会调用最佳匹配，自动选择默认参数，以减少用户进行复杂的参数设置。在该模式中，又可分为定时段供水和24 h供水两种应用场景。其中24 h供水，用户只需设置水箱液位值、水箱温度值、定时刻定量补水参数，适用于大宾馆等场所使用。定时段供水，用户只需设置供水时间段以及相应的水箱温度与水箱液位等参数，适用于学校、医院等场所的使用。 （3） 本控制器创新性地设计了多时段+多策略+多参数设定的专家设置界面，用户可以根据系统实际情况进行个性化的最佳控制策略选择和控制参数最优设置，确保系统始终保持最佳运行状态。而市场现有控制器大多功能单一，可设置参数十分有限，也无法进行控制策略选择，极大限制了太阳能热水系统的有效控制和能源利用，这也是现有太阳能系统实际不节能的主要原因之一。 例如，在水箱温度和液位的控制界面中，共设定了6个时间段，每个时间段都可选3个功能，分别为温控上水，恒水位，恒温。其中温控上水和恒水位为二选一，选择温控上水时，当水箱温度大于设定的上水阀启动温度，此时上水阀将自动打开，当水箱温度小于设定的上水阀停止温度，此时上水阀将自动关闭。选择恒水位时，当水箱液位低于设定的上水阀启动液位，此时上水阀将自动打开，当水箱液位高于设定的上水阀停止液位，此时上水阀将自关闭。对于恒温功能，用户可根据需要进行选择。如果选择恒温功能，则用户可以根据自己的需求来设定辅助能源启动温度和辅助能源的停止温度。当水箱温度小于辅助能源启动温度时，辅助能源就会自动开启，直至到达辅助能源停止温度。如果不选恒温功能，辅助能源将不会启动。 而现有控制器通常一次只能使用一种控制模式，若要调整设置，必须手动重新设置，不但麻烦，有时也无法达到节能效果。例如：将水箱设定为55 ℃的满水位恒温方式，则该控制器只能按此设定的工作。当早上太阳没出来之前，这样设置势必会启动辅助能源;等到中午太阳出来时水早就加热到55 ℃，而这时太阳能又不能继续向水箱提供热能。而本文控制器可以进行多时段多控制策略设置，完全可以避免这些问题。例如可以根据早上用水量设置一个合理的水位和温度，让辅助能源进行加热;9：00点钟后设置为定温放水模式，可有效利用太阳能;太阳下山后又可设置为恒温恒水位工作方式;晚上10：00点后停止加水加热，将水箱的水尽可能用完。此外，我们监控器还具有定时段供水、定时段回水等功能，这些功能都可以有效节约能源，充分利用太阳能，提高能源利用率等效果。 4 ?测试结果与分析 本文选用单水箱双辅助能源有回水的单组集热系统作为测试对象。该系统是常见的太阳能热水工程，将集热器储热水箱与用户供热水箱合为一个水箱，具有结构简单、安装方便的特点，常用于小型热水系统。测试对象2013年09月在江苏无锡投入使用。现以2014年03月27日的监测数据为例进行分析。图2、图3分别是恒温水箱与用户供水温度比较曲线图和实际用水需求与恒温水箱液位比较曲线图。 图2比较了恒温水箱与用户供水温度的关系。对象系统用水时间段为5：00～8：00点、16：00～21：00点，其余时间基本不用热水。由图2可以看出，只有在2个时间段内用户供水管道温度接近恒温水箱温度，其余时间用户供水管道温度都远远低于恒温水箱温度。这一现象说明定时段回水功能可以实现在用户不用水的时间段内不进行管道循环，从而大幅度的减少管道热量损失。 图3比较了实际用水需求和恒温水箱真实水位的变化过程。对象系统要求在5：00点前水箱水位为50%，16：00点前水箱水位为100%。由图3可以看出水箱实际水位在一天中不同时间段跨度比较大，在3：00点水位已经上升到下一用水时间段的用水需求，此时辅助能源只需加热水箱50%的水。在9：00～14：00点水位策略选为定温放水，充分利用太阳能。14：00～16：00点水位策略选为恒水位，满足用户16：00点前水箱水位为100%的用水需求。图3说明控制器多时段多策略对水箱水位进行控制起到明显效果，能够最大限度的减少辅助能源的使用。因为普通控制器控制的单水箱系统为了保证用户的用水质量，水箱水位需要一直保持在较高水位，导致辅助能源的投入时间增加。而本控制器对水位的控制非常灵活，可以满足不同用水时间段的用水量需求，最大限度地降低辅助能源的投入。 为了对控制器进行技术经济指标分析而专门设计了一套能量计量软件，由能量计量软件完成对太阳能热水系统的能量计算，该软件数据查询界面如图4所示。 现以2014年03月20日—26日的统计数据为例进行分析，该周天气变化不是很大。表1为以日为单位的技术经济指标。 表1 以日为单位的技术经济指标 从表1中可以看到，在一周天气变化量不大，用户用水量相差不大的情况下，利用本控制器的太阳能热水工程的能效比大约在4.00左右，常规能源替代量在1.40 t左右，CO2减排量在3.35 t左右。说明控制器设计方案合理，节能减排效果明显。 为了进一步测试控制器的性能，现将本控制与现有市面上销售良好的一款技术控制器进行比较。为便于分析与比较，选择太阳辐射总量基本相同天气，并控制每天的热水用量基本一致，取一周的测试结果的平均值进行分析。不同控制器的热水系统能效比、单位热水能耗的柱状图如图5所示。 从图5的比较可以得到本控制器的能效比更高，单位热水能耗更低。说明本控制器的节能效果更优异，具有更好的社会效益和经济效益。 5 ?结 ?语 控制器软件设计充分考虑了当前热水控制器的功能不完善、节能效率不高等现状，对控制器的运行模式、用户用水时段、水温控制、数据传输等进行了研究。创新性地提出了一些控制理念，开发了一套多模式多策略的控制器。至今，该控制器在太阳能集热工程系统上已稳定运行超过半年。通过长期的运行观察分析表明：该控制器控制策略符合太阳能热水工程相关国家标准的要求，控制器与模拟量采集板、开关量输出板RS485本地通信稳定，与本地监控软件通信可靠。该控制器无论在功能上、性能上，还是在外观和可操作上都具有十分明显的优势，具有很好的应用前景。 <＼＼192.168.6.11＼现代电子技术14年37卷第24期＼Image＼23t5.tif> 图5 不同控制器能效比较图 参考文献 [1] 郝钢.我国太阳能发展现状与前景[J].中国新技术新产品，2010（16）：13?14. [2] 时迈.太阳能光热是最佳替代能源[J].广西城镇建设，2010，（5）：43?44. [3] 门大伟.解析太阳能应用技术[J].科技信息，2010（14）：683?684. [4] HECLER A. 15 years of R&D in central solar heating in Denmark [J]. Solar Energy， 2000， 69（6）： 78?80. [5] STOPOULOS Y T. Solar collectors with colored absorbers [J]. Solar Energy， 2000， 68（4）： 100?102. [6] 李宝宽，宋杨，王芳，等.全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能[J].东北大学学报：自然科学版，2010（11）：1586?1589. [7] 肖荪，杨洪海.全玻璃型和热管型真空管太阳能热水器的经济性对比[J].能源技术，2010（2）：104?105. [8] 鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究[J].青岛理工大学学报，2007（5）：79?80. [9] 苗润兴.基于CPLD的太阳能热水器控制系统[J].中国制造业信息化，2009（7）：51?54. 图2比较了恒温水箱与用户供水温度的关系。对象系统用水时间段为5：00～8：00点、16：00～21：00点，其余时间基本不用热水。由图2可以看出，只有在2个时间段内用户供水管道温度接近恒温水箱温度，其余时间用户供水管道温度都远远低于恒温水箱温度。这一现象说明定时段回水功能可以实现在用户不用水的时间段内不进行管道循环，从而大幅度的减少管道热量损失。 图3比较了实际用水需求和恒温水箱真实水位的变化过程。对象系统要求在5：00点前水箱水位为50%，16：00点前水箱水位为100%。由图3可以看出水箱实际水位在一天中不同时间段跨度比较大，在3：00点水位已经上升到下一用水时间段的用水需求，此时辅助能源只需加热水箱50%的水。在9：00～14：00点水位策略选为定温放水，充分利用太阳能。14：00～16：00点水位策略选为恒水位，满足用户16：00点前水箱水位为100%的用水需求。图3说明控制器多时段多策略对水箱水位进行控制起到明显效果，能够最大限度的减少辅助能源的使用。因为普通控制器控制的单水箱系统为了保证用户的用水质量，水箱水位需要一直保持在较高水位，导致辅助能源的投入时间增加。而本控制器对水位的控制非常灵活，可以满足不同用水时间段的用水量需求，最大限度地降低辅助能源的投入。 为了对控制器进行技术经济指标分析而专门设计了一套能量计量软件，由能量计量软件完成对太阳能热水系统的能量计算，该软件数据查询界面如图4所示。 现以2014年03月20日—26日的统计数据为例进行分析，该周天气变化不是很大。表1为以日为单位的技术经济指标。 表1 以日为单位的技术经济指标 从表1中可以看到，在一周天气变化量不大，用户用水量相差不大的情况下，利用本控制器的太阳能热水工程的能效比大约在4.00左右，常规能源替代量在1.40 t左右，CO2减排量在3.35 t左右。说明控制器设计方案合理，节能减排效果明显。 为了进一步测试控制器的性能，现将本控制与现有市面上销售良好的一款技术控制器进行比较。为便于分析与比较，选择太阳辐射总量基本相同天气，并控制每天的热水用量基本一致，取一周的测试结果的平均值进行分析。不同控制器的热水系统能效比、单位热水能耗的柱状图如图5所示。 从图5的比较可以得到本控制器的能效比更高，单位热水能耗更低。说明本控制器的节能效果更优异，具有更好的社会效益和经济效益。 5 ?结 ?语 控制器软件设计充分考虑了当前热水控制器的功能不完善、节能效率不高等现状，对控制器的运行模式、用户用水时段、水温控制、数据传输等进行了研究。创新性地提出了一些控制理念，开发了一套多模式多策略的控制器。至今，该控制器在太阳能集热工程系统上已稳定运行超过半年。通过长期的运行观察分析表明：该控制器控制策略符合太阳能热水工程相关国家标准的要求，控制器与模拟量采集板、开关量输出板RS485本地通信稳定，与本地监控软件通信可靠。该控制器无论在功能上、性能上，还是在外观和可操作上都具有十分明显的优势，具有很好的应用前景。 <＼＼192.168.6.11＼现代电子技术14年37卷第24期＼Image＼23t5.tif> 图5 不同控制器能效比较图 参考文献 [1] 郝钢.我国太阳能发展现状与前景[J].中国新技术新产品，2010（16）：13?14. [2] 时迈.太阳能光热是最佳替代能源[J].广西城镇建设，2010，（5）：43?44. [3] 门大伟.解析太阳能应用技术[J].科技信息，2010（14）：683?684. [4] HECLER A. 15 years of R&D in central solar heating in Denmark [J]. Solar Energy， 2000， 69（6）： 78?80. [5] STOPOULOS Y T. Solar collectors with colored absorbers [J]. Solar Energy， 2000， 68（4）： 100?102. [6] 李宝宽，宋杨，王芳，等.全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能[J].东北大学学报：自然科学版，2010（11）：1586?1589. [7] 肖荪，杨洪海.全玻璃型和热管型真空管太阳能热水器的经济性对比[J].能源技术，2010（2）：104?105. [8] 鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究[J].青岛理工大学学报，2007（5）：79?80. [9] 苗润兴.基于CPLD的太阳能热水器控制系统[J].中国制造业信息化，2009（7）：51?54. 图2比较了恒温水箱与用户供水温度的关系。对象系统用水时间段为5：00～8：00点、16：00～21：00点，其余时间基本不用热水。由图2可以看出，只有在2个时间段内用户供水管道温度接近恒温水箱温度，其余时间用户供水管道温度都远远低于恒温水箱温度。这一现象说明定时段回水功能可以实现在用户不用水的时间段内不进行管道循环，从而大幅度的减少管道热量损失。 图3比较了实际用水需求和恒温水箱真实水位的变化过程。对象系统要求在5：00点前水箱水位为50%，16：00点前水箱水位为100%。由图3可以看出水箱实际水位在一天中不同时间段跨度比较大，在3：00点水位已经上升到下一用水时间段的用水需求，此时辅助能源只需加热水箱50%的水。在9：00～14：00点水位策略选为定温放水，充分利用太阳能。14：00～16：00点水位策略选为恒水位，满足用户16：00点前水箱水位为100%的用水需求。图3说明控制器多时段多策略对水箱水位进行控制起到明显效果，能够最大限度的减少辅助能源的使用。因为普通控制器控制的单水箱系统为了保证用户的用水质量，水箱水位需要一直保持在较高水位，导致辅助能源的投入时间增加。而本控制器对水位的控制非常灵活，可以满足不同用水时间段的用水量需求，最大限度地降低辅助能源的投入。 为了对控制器进行技术经济指标分析而专门设计了一套能量计量软件，由能量计量软件完成对太阳能热水系统的能量计算，该软件数据查询界面如图4所示。 现以2014年03月20日—26日的统计数据为例进行分析，该周天气变化不是很大。表1为以日为单位的技术经济指标。 表1 以日为单位的技术经济指标 从表1中可以看到，在一周天气变化量不大，用户用水量相差不大的情况下，利用本控制器的太阳能热水工程的能效比大约在4.00左右，常规能源替代量在1.40 t左右，CO2减排量在3.35 t左右。说明控制器设计方案合理，节能减排效果明显。 为了进一步测试控制器的性能，现将本控制与现有市面上销售良好的一款技术控制器进行比较。为便于分析与比较，选择太阳辐射总量基本相同天气，并控制每天的热水用量基本一致，取一周的测试结果的平均值进行分析。不同控制器的热水系统能效比、单位热水能耗的柱状图如图5所示。 从图5的比较可以得到本控制器的能效比更高，单位热水能耗更低。说明本控制器的节能效果更优异，具有更好的社会效益和经济效益。 5 ?结 ?语 控制器软件设计充分考虑了当前热水控制器的功能不完善、节能效率不高等现状，对控制器的运行模式、用户用水时段、水温控制、数据传输等进行了研究。创新性地提出了一些控制理念，开发了一套多模式多策略的控制器。至今，该控制器在太阳能集热工程系统上已稳定运行超过半年。通过长期的运行观察分析表明：该控制器控制策略符合太阳能热水工程相关国家标准的要求，控制器与模拟量采集板、开关量输出板RS485本地通信稳定，与本地监控软件通信可靠。该控制器无论在功能上、性能上，还是在外观和可操作上都具有十分明显的优势，具有很好的应用前景。 <＼＼192.168.6.11＼现代电子技术14年37卷第24期＼Image＼23t5.tif> 图5 不同控制器能效比较图 参考文献 [1] 郝钢.我国太阳能发展现状与前景[J].中国新技术新产品，2010（16）：13?14. [2] 时迈.太阳能光热是最佳替代能源[J].广西城镇建设，2010，（5）：43?44. [3] 门大伟.解析太阳能应用技术[J].科技信息，2010（14）：683?684. [4] HECLER A. 15 years of R&D in central solar heating in Denmark [J]. Solar Energy， 2000， 69（6）： 78?80. [5] STOPOULOS Y T. Solar collectors with colored absorbers [J]. Solar Energy， 2000， 68（4）： 100?102. [6] 李宝宽，宋杨，王芳，等.全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能[J].东北大学学报：自然科学版，2010（11）：1586?1589. [7] 肖荪，杨洪海.全玻璃型和热管型真空管太阳能热水器的经济性对比[J].能源技术，2010（2）：104?105. [8] 鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究[J].青岛理工大学学报，2007（5）：79?80. [9] 苗润兴.基于CPLD的太阳能热水器控制系统[J].中国制造业信息化，2009（7）：51?54. |
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