劉春蕾 孫 勇 王汝鑫

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

電輔助太陽(yáng)能相變蓄熱供熱控制系統(tǒng)研究

劉春蕾 孫 勇 王汝鑫

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

研究了獨(dú)立民居太陽(yáng)能供熱的控制系統(tǒng)，為了克服太陽(yáng)能白天采集與用戶晚上使用的矛盾如何采用相變蓄熱材料進(jìn)行蓄熱，如何為了彌補(bǔ)陰天太陽(yáng)能獲取的不可及性采用電輔助加熱，從而對(duì)系統(tǒng)中的水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、輔助電熱器等設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，以達(dá)到室內(nèi)溫度的要求.

太陽(yáng)能;相變蓄熱;控制系統(tǒng)

0 引 言

新能源的開(kāi)發(fā)利用及各種節(jié)能技術(shù)的發(fā)展是解決能源緊缺的主要途徑.太陽(yáng)能具有其他任何一種能源無(wú)法比及的優(yōu)點(diǎn).目前，太陽(yáng)能已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域：供應(yīng)熱水、取暖、空調(diào)制冷和發(fā)電等.太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換利用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，特別是在解決生活需要方面，如生活熱水、供熱、太陽(yáng)房等.但這些應(yīng)用在需求上與太陽(yáng)輻射能量規(guī)律存在著矛盾：當(dāng)天氣越冷、人們?cè)叫枰獰崃康臅r(shí)候，太陽(yáng)能量的供給往往不足.解決這一矛盾的有效辦法就是蓄熱技術(shù).對(duì)于太陽(yáng)輻射能量固有的間歇性，可以通過(guò)輔助電加熱來(lái)彌補(bǔ).而且通過(guò)蓄熱裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電力消峰填谷的目的，充分利用低價(jià)電.控制系統(tǒng)可以保證電輔助太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

1 系統(tǒng)及運(yùn)行說(shuō)明

電輔助——相變蓄熱供熱系統(tǒng)見(jiàn)圖1：系統(tǒng)由熱管真空管太陽(yáng)能集熱器、蓄熱器、電加熱器、末端散熱裝置、高位定壓水箱、閥門、過(guò)濾器、水泵、溫度計(jì)、流量計(jì)以及壓力表等組成.

圖1 電輔助—相變蓄熱供熱系統(tǒng)圖

調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)流量，以合理分配蓄熱器和房間的熱量.球閥起關(guān)斷作用，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或需要更換時(shí)關(guān)閉其兩側(cè)球閥，球閥13位于系統(tǒng)的最低點(diǎn)，用于系統(tǒng)放水.溫度計(jì)用于測(cè)量工質(zhì)溫度便于系統(tǒng)檢測(cè)及超溫報(bào)警.壓力表用以測(cè)量系統(tǒng)壓力防止系統(tǒng)超壓.電加熱器用于彌補(bǔ)陰天采光不足或蓄熱器蓄熱不足造成的太陽(yáng)能供暖熱量的不足.過(guò)濾器用于過(guò)濾水系統(tǒng)中的雜質(zhì)，防止堵塞采暖管道.補(bǔ)水箱用于系統(tǒng)定壓和容納水膨脹量.水泵出口處的單流閥保證水泵啟動(dòng)時(shí)是空負(fù)荷.

系統(tǒng)分白天和晚上兩個(gè)階段運(yùn)行，白天系統(tǒng)運(yùn)行方式：經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器加熱后熱水分成兩路，一路經(jīng)電加熱器、過(guò)濾器后再經(jīng)過(guò)散熱器放熱，放熱后的冷水經(jīng)過(guò)供暖側(cè)水泵2、調(diào)節(jié)閥3(調(diào)節(jié)白天經(jīng)過(guò)散熱器的流量以調(diào)節(jié)供熱量).另一路經(jīng)過(guò)蓄熱器放熱(內(nèi)部相變材料吸收并儲(chǔ)存熱量)，然后兩路工質(zhì)混合后再通過(guò)集熱器側(cè)水泵1完成循環(huán).夜間系統(tǒng)運(yùn)行方式：關(guān)閉集熱器側(cè)水泵1和球閥4，供暖側(cè)水泵2將房間回水供到蓄熱器，途徑調(diào)節(jié)閥3以調(diào)節(jié)流量，然后經(jīng)過(guò)蓄熱器換熱(內(nèi)部相變材料放熱)后熱水經(jīng)過(guò)電加熱器和過(guò)濾器后進(jìn)入散熱器供暖，最后流經(jīng)供暖側(cè)水泵2完成循環(huán).

如果集熱器沒(méi)有防凍功能，在夜間運(yùn)行方式中當(dāng)集熱器溫度小于一定值后(一般為6 ℃)開(kāi)啟集熱器側(cè)水泵1和調(diào)節(jié)閥6使其具有微小的流量.如果遇到陰天或白天蓄熱量不足則開(kāi)啟電加熱器以彌補(bǔ)供熱量的不足.

2 電輔助太陽(yáng)能相變蓄熱控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能相變蓄熱供熱控制系統(tǒng)如圖2所示：

圖2 太陽(yáng)能相變蓄熱供熱控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下控制功能：1)太陽(yáng)能集熱循環(huán)控制；2)加熱控制：根據(jù)需求端的供暖情況，采用室內(nèi)進(jìn)水溫度控制的方式控制電加熱器的啟停.當(dāng)白天太陽(yáng)輻射不足，儲(chǔ)水箱溫度達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，控制器自動(dòng)啟動(dòng)電加熱器加熱，否則加熱停止.3)管道防凍保護(hù)：在集熱器的供水管上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)溫度小于4 ℃時(shí)，循環(huán)泵啟動(dòng)，當(dāng)溫度大于8 ℃時(shí)，防凍循環(huán)停止；4)管道流量控制：當(dāng)管道內(nèi)的水流量小于設(shè)定值時(shí)，將加熱器、變頻器、兩個(gè)循環(huán)泵斷電，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；5)供水管網(wǎng)的壓力控制；6)液位控制：蓄水箱的液位低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警.

本系統(tǒng)主要基于單片機(jī)AT89S51進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，并利用各種傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)光耦和A/D轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)(數(shù)字信號(hào)直接輸入單片機(jī))，經(jīng)單片機(jī)的計(jì)算處理，輸出信號(hào)于顯示電路、報(bào)警電路及驅(qū)動(dòng)電路.顯示電路顯示三路溫度值.當(dāng)有報(bào)警信號(hào)時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警，提示相關(guān)人員做出相關(guān)操作.驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)及加熱器工作.

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路分為6大塊，分別是主控制器、直流穩(wěn)壓電源部分，EEPROM存儲(chǔ)部分，溫度檢測(cè)采樣部分，設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分，故障檢測(cè)部分，顯示部分.結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 太陽(yáng)能相變蓄熱供熱控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

其中顯示面板無(wú)按鍵選擇功能，只顯示集熱器、蓄熱器以及房間溫度，且按一定周期循環(huán)顯示.當(dāng)水泵和加熱器工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈顯示；當(dāng)有故障時(shí)，蜂鳴器鳴響，且對(duì)應(yīng)不同的故障，不同的指示燈顯示.控制面板布局圖4所示，弱電與強(qiáng)電分別位于不同的兩腳，各端子具體定義如下所示：

(1)輸出端定義

JD1端子為強(qiáng)電，其中PE接大地，N、L接220 V交流電，OP1～OP4為繼電器輸出，OP1(P0.0)接水泵1，OP2(P0.1)接水泵2，OP3(P0.2)接加熱器，OP4(P0.4)接蜂鳴器.

(2)輸入端定義

開(kāi)關(guān)量輸入JD2：COM端為+12 V地，設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)經(jīng)繼電器常閉點(diǎn)，由COM引入輸入端ID1和ID2，其中ID1檢測(cè)水流(D0位)，ID2檢測(cè)水位(D1位)

模擬量輸入JD3：IA1接集熱器處溫度傳感器，IA2接蓄熱器處溫度傳感器，IA3接入口溫度處溫度傳感器，IA4接房間溫度傳感器.

圖4 控制面板布局

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)按功能大體可分稱七個(gè)子模塊，分別為系統(tǒng)初始化、自檢、溫度數(shù)據(jù)采集、顯示輸出、控制輸出、系統(tǒng)保護(hù)和報(bào)警.子模塊溫度數(shù)據(jù)采集、顯示輸出、控制輸出、系統(tǒng)保護(hù)和報(bào)警合在一起構(gòu)成主循環(huán)系統(tǒng)，主程序循環(huán)調(diào)用不同功能子模塊，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)全部的功能.其流程圖如圖5所示.

3 結(jié)論(Conclusion)

相變蓄熱裝置彌補(bǔ)了太陽(yáng)能利用過(guò)程中的缺點(diǎn)，結(jié)合電輔助加熱用于供熱系統(tǒng)符合國(guó)家的能源政策，而且通過(guò)蓄熱可以利用低價(jià)電，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源多樣化，使電力移峰填谷，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用和燃煤、油等帶來(lái)的環(huán)境污染，解決生產(chǎn)生活熱水供應(yīng)及采暖問(wèn)題，對(duì)節(jié)約我國(guó)每年因供暖而消耗的大量戰(zhàn)略資源-煤資源、石油資源、電力資源具有深遠(yuǎn)的積極意義.本成果針對(duì)小型建筑——?jiǎng)e墅、農(nóng)村的獨(dú)立供熱，在我國(guó)三北地區(qū)有廣闊的推廣前景.

借助自動(dòng)控制相變蓄熱供熱裝置可提供穩(wěn)定流量、穩(wěn)定溫度的供回水，適于采暖工程的要求，這是采用水蓄熱的供熱系統(tǒng)所無(wú)法比及的.既利用了可再生的太陽(yáng)能，又利用了低谷電，起到移峰填谷的作用，電輔助—太陽(yáng)能相變蓄熱供熱系統(tǒng)可用于生態(tài)建筑系統(tǒng)，其市場(chǎng)容量之大不可估量.

圖5 主程序流程圖

[1]張志剛，趙樹(shù)興，呂建．電熱蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析．煤氣與熱力，2005年第2期：36～38

[2]陳立．相變蓄熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及其應(yīng)用．能源技術(shù)，2002年10月第5期

[3]史葆華．使用蓄熱電鍋爐供暖移峰填谷降成本．電力需求側(cè)管理，2004(11)，PP53～54

Research on the Control System of Phase Change Thermal Storage of Solar Energy

LIUChun-lei,SUNYong,WANGRu-xin

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In this paper,the control system of independent residential heating using solar energy is studied.In order to overcome the contradiction between solar energy collection in the daytime and using in the evening,the phase-change heat storage materials are used to store heat,so as to make up for the unavailability of solar acquisition on cloudy days by using electric auxiliary heating.As a result,the system automatically controls the operation process of pump,electronic valve,auxiliary electric heater and other equipments to meet the requirement of indoor temperature.

solar energy;phase change thermal storage;control system

2015-01-13

河北建筑工程學(xué)院2014年度基金項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)：ZD201406

劉春蕾(1966-)，女,教授，主要從事測(cè)控技術(shù)研究.

TU 892；TP 273

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