馬躍軍，張喜玲，蔣冠前，胡韻華

基于新能源供能的智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)應(yīng)用

馬躍軍，張喜玲，蔣冠前，胡韻華

(許昌開(kāi)普電氣研究院有限公司，河南 許昌 461000)

在國(guó)家提倡節(jié)約能源、低碳減排的背景下，針對(duì)燃?xì)忮仩t供給熱水系統(tǒng)提出新能源供能智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽(yáng)能為主要的能源，有效地利用太陽(yáng)能熱效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能化管理，全天候的供給恒溫?zé)崴?，提高用戶日常生活的滿意度。

低碳減排；新能源；太陽(yáng)能；恒溫?zé)崴?/p>

0 引言

園區(qū)的生活熱水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)共用燃?xì)忮仩t，其中供暖系統(tǒng)工作時(shí)間為11月15日至次年的3月15日，生活熱水系統(tǒng)工作時(shí)間為全年。在非供暖季使用燃?xì)忮仩t供應(yīng)生活熱水，熱能利用率較低，排放煙氣污染環(huán)境，熱水單價(jià)成本較高。因此，園區(qū)的生活熱水系統(tǒng)急需一種低碳環(huán)保無(wú)污染的新能源供能系統(tǒng)來(lái)替代燃?xì)夤嵯到y(tǒng)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的生活熱水系統(tǒng)的供熱方式主要是消耗非再生能源，如燃煤鍋爐供熱、燃?xì)忮仩t供熱和燃油鍋爐供熱等，該供熱方式熱能利用效率低，對(duì)環(huán)境造成較大的危害。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有潔凈無(wú)污染、能源可再生的特點(diǎn)，但是，在冬季和陰天的光照時(shí)間較短，在該時(shí)段熱水產(chǎn)量溫度滿足不了需求，為了解決該問(wèn)題，增加空氣能設(shè)備作為輔助加熱[2-5]。綜上所述，提出新能源供能的智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)。

1 概況

新能源供能智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)以太陽(yáng)能為主，空氣能為輔，全天候的供給用戶生活熱水，實(shí)現(xiàn)潔凈能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，節(jié)能降耗，低碳減排的目的。

恒溫?zé)崴┙o采用集熱循環(huán)和恒溫循環(huán)的方式。集熱循環(huán)以集熱器為主，當(dāng)集熱器中熱水的溫度高于集熱水箱的溫度閾值時(shí)，通過(guò)集熱循環(huán)水泵進(jìn)行熱循環(huán)，把集熱器中的水收集到集熱水箱中。當(dāng)集熱器中的熱水溫度低于集熱水箱溫度閾值時(shí)，關(guān)閉集熱循環(huán)水泵，停止熱水收集。當(dāng)集熱水箱的水位低于設(shè)定閾值時(shí)，補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)水。恒溫循環(huán)的出水設(shè)定為50 ℃，當(dāng)恒溫水箱的溫度達(dá)不到50 ℃、集熱水箱的溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)恒溫循環(huán)泵進(jìn)行熱水循環(huán)。當(dāng)集熱水箱的水溫低于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉恒溫循環(huán)泵，通過(guò)空氣能對(duì)恒溫水箱的熱水進(jìn)行加熱，當(dāng)恒溫水箱的水位低于閾值時(shí)，通過(guò)恒溫循環(huán)泵把集熱水箱的熱水補(bǔ)給恒溫水箱，最大效率地利用太陽(yáng)能。

2 理論設(shè)計(jì)

新能源供能智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)由集熱器、空氣能、恒溫控制器、集熱水箱、恒溫水箱、水泵和室內(nèi)管道等組成，其中集熱器、空氣能、恒溫水箱、集熱水箱和水泵安裝在屋頂，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中：W1為太陽(yáng)能集熱水箱水位傳感器(壓力式)；W2為恒溫水箱水位傳感器(壓力式)；T1為集熱器頂部溫度傳感器；T2為太陽(yáng)能集熱水箱溫度傳感器，與水位W1一體；T3為防凍循環(huán)溫度傳感器(安裝于集熱循環(huán)管路最低溫度點(diǎn))；T4為恒溫水箱溫度傳感器，與水位W2 一體；T5為用水管道溫度傳感器(安裝于用水循環(huán)管路最低溫度點(diǎn))；T6為上水管道 1 電伴熱溫控傳感器(一般安裝于自來(lái)水上水管道，位置可根據(jù)實(shí)際情況而定)；P1為集熱管路循環(huán)泵，亦作為防凍循環(huán)泵；P2為用水管路循環(huán)泵(亦可用電磁閥+自動(dòng)增壓泵形式)；P3為恒溫水箱定溫進(jìn)水泵，亦作為恒溫水箱溫差循環(huán)泵；P4為恒溫水箱溫差循環(huán)泵；E1為上水電磁閥(自來(lái)水直接進(jìn)集熱水箱補(bǔ)水)；E2為定溫上水電磁閥(自來(lái)水進(jìn)恒溫水箱補(bǔ)水)；EH1為電加熱器；EH2為電伴熱帶(預(yù)留)。

圖1 新能源供能的智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 集熱器

太陽(yáng)能集熱器的面積與用水量、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、系統(tǒng)效率和水箱水溫等因素有關(guān)。參考用戶最近一年的日均用水量為9.27噸，出水溫度為50 ℃，因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日均供水量為10噸，儲(chǔ)水箱終止溫度設(shè)置為60 ℃，其中，管道損失率系數(shù)為0.2，太陽(yáng)能集熱效率系數(shù)為0.5，集熱器的面積計(jì)算公式如式(1)所示。

2.2 空氣能

當(dāng)用戶側(cè)的日用水量超過(guò)15 噸或太陽(yáng)能無(wú)法滿足用戶側(cè)熱水需求時(shí)，使用空氣能輔助加熱生產(chǎn)熱水。選用輸入功率 8.3 kW，輸出的熱量為38 kW的空氣能壓縮機(jī)補(bǔ)充供熱[6-7]。

2.3 恒溫控制器

恒溫控制器由處理單元、顯示單元和外圍接口單元搭建構(gòu)成。處理單元以單片機(jī)為核心，用于邏輯判斷，單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器和水位傳感器采集到的信息進(jìn)行邏輯判斷，輸出控制循環(huán)泵(啟動(dòng)/停止)和電磁閥(打開(kāi)/關(guān)閉)控制信號(hào)，同時(shí)把該信息傳遞給顯示單元；顯示單元以ARM芯片為核心，顯示處理單元傳遞的信息，人機(jī)交互界面設(shè)定的參數(shù)值傳遞給顯示單元進(jìn)行處理和邏輯判斷；外圍接口單元由電源接口、信號(hào)采集接口和繼電器輸出接口組成，電源接口連接AC220 V交流電，信號(hào)采集接口采集水溫和水位傳感器的信號(hào)，繼電器輸出接口輸出處理單元的控制信號(hào)。

3 主要功能

3.1 恒溫控制器的功能

恒溫控制器主要功能有時(shí)間顯示、系統(tǒng)監(jiān)視、設(shè)備狀態(tài)、歷史報(bào)警、功能選擇、系統(tǒng)登錄和參數(shù)設(shè)置。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中傳感器信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、水位、電磁閥、水泵和管道的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，顯示界面彈出報(bào)警信息，提示運(yùn)維人員排查處理，對(duì)于報(bào)警信息類型和處理結(jié)果，能夠自動(dòng)生成報(bào)表進(jìn)行存儲(chǔ)；手動(dòng)模式可以人為介入進(jìn)行補(bǔ)水和水溫控制，自動(dòng)模式根據(jù)用戶設(shè)定的水位和水溫，經(jīng)過(guò)程序自動(dòng)邏輯判斷，需求系統(tǒng)最佳的節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)區(qū)別用戶和管理員的權(quán)限，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性能。

圖2 恒溫控制器顯示功能示意圖

3.2 集熱循環(huán)及補(bǔ)水功能

集熱循環(huán)最大效率地利用太陽(yáng)能，當(dāng)集熱器水溫與集熱水箱中水溫溫差大于設(shè)定閾值(7 ℃)，集熱循環(huán)水泵(P1)打開(kāi)，進(jìn)行集熱循環(huán)；當(dāng)集熱器中水溫與集熱水箱中水溫溫差不大于設(shè)定閾值 (3 ℃)，集熱循環(huán)水泵(P1)關(guān)閉，停止集熱循環(huán)。

當(dāng)集熱水箱水位小于設(shè)定下限值閾值(30%)時(shí)，打開(kāi)進(jìn)水電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水；當(dāng)集熱水箱水位大于設(shè)定閾值(50%)時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥停止補(bǔ)水。

3.3 恒溫水箱循環(huán)及上水功能

恒溫水箱熱水循環(huán)是指當(dāng)集熱水箱溫度(T2)大于恒溫水箱溫度(T4 + 5 ℃)，并且恒溫水箱溫度(T4)小于恒溫水箱溫度設(shè)定下限值(默認(rèn) 45 ℃)時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵；當(dāng)集熱水箱溫度(T2)小于恒溫水箱溫度(T4 + 2 ℃)且恒溫水箱溫度(T4)大于等于恒溫水箱溫度設(shè)定下限值(默認(rèn)45 ℃)時(shí)，循環(huán)泵關(guān)閉。

自動(dòng)上水是指當(dāng)恒溫水箱水位 W2 低于下限水位(默認(rèn)30%)時(shí)，啟動(dòng)上水循環(huán)泵；當(dāng)恒溫水箱水位 W2 達(dá)到水位設(shè)定上限值(默認(rèn) 80%)時(shí)，關(guān)閉上水循環(huán)泵。

定時(shí)上水是指在設(shè)定的時(shí)段內(nèi)，當(dāng)恒溫水箱水位低于水位設(shè)定下限值(默認(rèn) 30%)時(shí)，啟動(dòng)上水循環(huán)泵 P3，當(dāng)恒溫水箱水位達(dá)到水位設(shè)定上限值(默認(rèn) 80%)時(shí)，關(guān)閉上水循環(huán)泵 P3。

手動(dòng)上水是指手動(dòng)即時(shí)啟動(dòng)電磁閥，水位上升到一定位置后手動(dòng)關(guān)閉電磁閥，或者水位上升到上限設(shè)定值(默認(rèn) 80%)后，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。

3.4 恒溫水箱加熱功能

自動(dòng)加熱是指當(dāng)恒溫水箱溫度(T4)小于溫度設(shè)定下限值(默認(rèn) 45 ℃)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)輔助加熱，達(dá)到恒溫水箱溫度設(shè)定閾值上限值后停止加熱。

定時(shí)加熱是指設(shè)定加熱時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)集熱水箱溫度(T2)低于恒溫水箱溫度(T4)設(shè)定閾值上限值時(shí)，啟動(dòng)空氣能輔助加熱至恒溫水箱溫度設(shè)定閾值上限值后停止加熱。

手動(dòng)加熱是指當(dāng)恒溫水箱溫度(T4)低于恒溫水箱溫度設(shè)定閾值時(shí)，手動(dòng)即時(shí)啟動(dòng)輔助加熱，把水加熱到溫度設(shè)定閾值上限值后停止加熱。

3.5 安全防護(hù)功能

生活熱水系統(tǒng)還設(shè)有短路、過(guò)流、漏電等安全防護(hù)功能，當(dāng)恒溫水箱水位低于15%時(shí)，禁止電加熱工作，水位大于 15%以上才可啟動(dòng)電加熱相關(guān)功能。

4 結(jié)論

新能源供能智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)的成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)的生活熱水系統(tǒng)的供熱方式相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 效利用太陽(yáng)能資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和零污染。樓頂鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器，以太陽(yáng)能為主空氣能為輔的方式生產(chǎn)恒溫?zé)崴瑢?shí)現(xiàn)低碳減排和節(jié)約能源的目的；

2) 系統(tǒng)可視化操作，提高系統(tǒng)管理效率。系統(tǒng)提供可視化操作界面，恒溫控制器收集溫度傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序設(shè)定的邏輯判斷，自動(dòng)尋求系統(tǒng)的最佳節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備出現(xiàn)異?；蛘咭缢闆r，能夠及時(shí)告警，運(yùn)維人員只需記錄出水溫度和及時(shí)處理告警事件信息即可。

由此可知，基于新能源供能的智能化恒溫?zé)崴到y(tǒng)能夠有效地利用太陽(yáng)能熱效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能化管理，全天候供給恒溫生活熱水，提高用戶滿意度。

[1] 江瑞, 趙陽(yáng). 空氣源熱泵熱水機(jī)組在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)建設(shè)信息(水工業(yè)市場(chǎng)), 2007, 12(6): 25-29.

JIANG Rui, ZHAO Yang. Application of thermo-pump group with air source in project design[J]. Water-Industry Market, 2007, 12(6): 25-29.

[2] 吳燕國(guó), 金釗, 章海成. 太陽(yáng)能和空氣源熱泵組合熱水系統(tǒng)工程應(yīng)用與分析[J]. 太原科技, 2008(7): 72-73, 75.

WU Yanguo, JIN Zhao, ZHANG Haicheng. Application and analysis of solar energy hot water system group with air source thermo-pump[J]. Sci-tech Innovation and Productivity, 2008(7): 72-73, 75.

[3] 王冠竹, 劉學(xué)來(lái). 太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能分析[J]. 低溫建筑技術(shù), 2011(12): 105-106.

WANG Guanzhu, LIU Xuelai. Solar-air source heat pump hot water system energy efficiency analysis[J]. Low Temperature Architecture Technology, 2011(12): 105-106.

[4] 吳德虎, 劉葉風(fēng). 太陽(yáng)能空氣雙熱源熱泵測(cè)試與控制方案設(shè)計(jì)[J]. 制冷與空調(diào), 2006, 6(6): 93-96.

WU Dehu, LIU Yefeng. Design of solar assisted air source heat pump[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2006, 6(6): 93-96.

[5] 馬最良, 楊自強(qiáng), 姚楊. 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的分析[J]. 暖通空調(diào), 2001, 31: 28-31.

MA Zuiliang, YANG Ziqiang, YAO Yang. Analysis of using air-source heat pump water chiller-heater units in the cold regions[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2001, 31: 28-31.

[6] 鐘浩, 李志民, 羅會(huì)龍, 等. 空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 建筑節(jié)能, 2011, 5: 25-31.

ZHONG Hao, LI Zhimin, LUO Huilong, et al. Experimental investigation of a solar water heater in conjunction with air source heat pump[J]. Building Energy Efficiency, 2011, 5: 25-31.

[7] 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范: GB/T18713[S].

Application of intelligent thermostatic hot water system based on new energy power supply

MA Yuejun, ZHANG Xiling, JIANG Guanqian, HU Yunhua

(Xuchang Ketop Electric Research Institute Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

Under the background of energy conservation and low-carbon emission reduction advocated in China, this paper proposes a new energy intelligent thermostatic hot water system for hot water supply system of gas-fired boilers. The system takes solar energy as the main energy, makes use of solar thermal efficiency effectively, realizes digital intelligent management, supplies constant temperature hot water all day, and improves the satisfaction of users' daily life.

low carbon emission reduction, new energy, solar energy,thermostatic hot water

2022-08-10；

2022-11-01

馬躍軍(1984—)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)技術(shù)研究工作；E-mail: 543640028@qq.com

張喜玲(1971—)，女，工科學(xué)士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)研究工作；E-mail: zhangxiling@ketop.cn

蔣冠前(1978—)，男，通信作者，碩士研究生，工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)研究工作。E-mail: guanqianj@dlwg.net