節能洗浴熱水系統的設計與實現

黃彬軻 吳影清 張侃諭

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

目前，大多數大型賓館酒店都使用燃油鍋爐來制取洗浴用水，以供入住的顧客使用。這種方式雖然能產生足夠量的熱水，但由于熱源對環境污染嚴重，不能適應當今社會可持續化發展的要求［1］。同時，考慮到現今油價的不穩定，其突然攀升也必將給賓館酒店帶來一定的損失。

針對洗浴熱水系統現階段存在的能源問題，以按需生產、合理輸送、實時控制和綜合優化為目標，設計節能系統已成為業界較為迫切的需求。節能系統應將管理節能和技術節能相結合，從而達到綜合節能的目的，以較小投資實現較大的節能回報。

1 系統結構設計

本文采用太陽能集熱器與空氣源熱泵(air source heat pump，ASHP)相結合的方式制取洗浴熱水，具有高效、節能且環保的優點;同時，充分利用峰谷電價差，優化熱泵運行策略，以達到節約電費的目的。

太陽能作為清潔廉價的替代能源，優勢十分明顯。系統優先利用太陽能集熱器生產熱水，在滿足初期成本和安裝空間的情況下，盡可能擴大太陽能集熱器的規模，提高節能效果。在系統設計過程中，需要充分考慮賓館酒店洗浴熱水的需求量。一般情況下，供三四百人入住的大型賓館酒店的冬季日用水量約為60 t，平均水溫為55℃;而春秋夏季日用水量約為45～50 t，平均水溫為55℃。

空氣源熱泵是以空氣作為熱源進行供熱的裝置，能以較低的能量消耗將低溫位熱能輸送至高溫位，較以往使用的燃油加熱方式，其能效比更高。本文采用的空氣源熱泵的平均能效比(coefficient of performance，COP)為 4.6，最高可達 5.7，冬季最低為 2.5［2］。熱泵與燃油鍋爐的費用比較如表1所示。

表1 費用比較Tab.1 Cost comparison

在表1中，分別采用空氣源熱泵和燃油方式，在相同條件下對1000 kg初始水溫為20℃的生活用水進行加熱，使溫度升高35 K。其中，加熱所需熱量為35000 kcal;能源價格按商用電費0.90元/(kW·h)計算;輕柴油按5.00元/kg計算。

此外，空氣源熱泵還具有安裝使用方便、能量利用效率高、溫室效應小以及環保等眾多優點。因此，應用廣泛［3］。

在選擇空氣源熱泵的容量時，既要充分考慮到酒店賓館用戶的用水需求，又要考慮到太陽能集熱器生產熱水的能力。同時，約定熱泵一天內開啟時間最多不超過16 h，以避免高電價時段產生的高額電費。

空氣源熱泵機組的產水量主要與氣溫有關，本文參照上海平均氣溫報告和熱泵機組的特性曲線，設計4臺使用77 kW熱泵熱水機組，輸入功率為18 kW×4。當上海冬季夜晚的平均氣溫為5℃時，77 kW×4臺熱泵機組每小時可生產55℃熱水4.4 t，而春秋季夜晚的平均氣溫15℃，則熱泵每小時可產熱水7.2 t。由于在夏季，較高的平均氣溫使得空氣源熱泵擁有較高的COP值，即擁有較強的產熱水能力，所以在進行系統設計時，只要冬季和春秋季節的熱水需求得到滿足，夏季便自然符合設計需求。熱泵運行時間的具體設計如表2所示。

表2 熱泵運行時間的設計Tab.2 Design of pump running time

表2中，x為熱泵產水能力;y為太陽能產水量;t為熱泵運行時間;z為熱泵產水量。

設計過程中，考慮到要盡可能地將一天中的太陽能轉為熱能生產熱水，太陽能便充當了生產熱水的前鋒;而空氣源熱泵將作為主力加熱器件，以保證生產足量的熱水供顧客使用。

在設計時，還要特別考慮酒店賓館的用水情況、分時電價情況以及賓館酒店所處地域等情況，這樣才能正確配置洗浴熱水產能設備，合理編寫節能算法。

為提高系統的穩定性，必須提高控制對象信息采集的可靠性。故在設計水箱液位和溫度的采集方式時，分別安排三組通道，每組通道均分布在水箱的不同區域，對保溫水箱的水溫與液位進行采集。具體的洗浴熱水節能系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Drawing of system construction

2 控制系統硬件設計

節能洗浴熱水系統的控制部分采用西門子S7-200系列的PLC作為主控制器，對各種閥泵的啟停采用數字量模塊EM221進行輸出控制;對各種溫度、液位等模擬量采集使用模擬量采集模塊EM231;同時，使用西門子人機界面設備TP177B DP PN對整個節能洗浴熱水系統進行交互控制。硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Design of hardware

在系統設計過程中，加入EM277模塊，使系統具有Profibus總線通信能力［4］;同時，在上位機中插入西門子通信卡CP5611，并安裝相應的組態軟件(如第三方的力控軟件或西門子的WinCC Flexible)，從而采用西門子的PC Access在上位機中建立一個OPC Server，供各種組態軟件對掛載在Profibus總線上的節能洗浴熱水系統進行遠程監視和控制［5］。

本系統使用的S7-224XP只具有兩個串行數據接口，其中一個通過自帶的MPI協議連接西門子人機界面設備，另一個作為自由口，與熱泵進行通信，從而控制熱泵機組的運行。這樣，當系統正常運行時，PLC上就不能插入調試接口進行在線調試運行，此時可以借用EM277，通過與上位機通信的Profibus總線來調試PLC程序。在系統運行中，PC端上位機通過Internet獲知次日氣象信息，并估計次日太陽能集熱器的出水能力，從而決定當晚至次日凌晨低電價時段熱泵的運行時間。

3 節能控制軟件設計

節能洗浴熱水系統的軟件設計主要包括模擬量的采集與濾波、太陽能集熱器的控制、熱泵的分時電價節能運行程序、熱泵基于安全線的運行模式、綜合節能運行模式、歷史數據記錄與統計和各種電動閥的控制接口程序［6－9］。

3.1 模擬量采集

為使系統在穩定可靠的狀態下運行，各類模擬量采集必須保證真實有效，所以需要對分布在不同位置的同一種狀態量采集值進行均值濾波處理，即將新采樣值與前五次正確采樣值進行平均值運算;然后對不同位置采集到的同一種狀態量數據進行分析，得出系統正確的運行狀態。模擬量采集程序流程如圖3所示。

圖3 模擬量采集程序流程圖Fig.3 Program flow of analog acquisition

3.2 太陽能集熱器補水

太陽能集熱器的補水回路采用雙輸入單輸出的模糊控制器來控制，由太陽能集熱器的出水口管溫、水箱水溫以及水箱液位來確定太陽能集熱器出水的流量。太陽能補水模糊控制結構如圖4所示。

圖4 太陽能補水模糊控制結構圖Fig.4 Structure of solar energy make-up water fuzzy control

圖4中，選擇液位差eh、溫差et、溫差改變量Δet作為模糊控制器的輸入量，并將它們進行x∈［a，b］到x'∈［－6，6］的尺度變換，使其落入［－6，6］的常用模糊控制論域范圍內，a與b分別為物理量實際采集值的最小值和最大值。尺度變換的表達式為:

由于S7-224XP的計算能力較弱，且對太陽能放水的控制精度要求不高，故將輸入輸出論域均勻離散化后再模糊分割成五個模糊子集，即:PL(正大)、PM(正中)、ZE(零)、NM(負中)和 NL(負小)，并根據經驗確定各個模糊子集所對應的隸屬度。

在系統運行中，如果水箱水位h超過水箱水位期望值h*，那么u應該輸出為0，太陽能出水閥關閉，即有規則 If［＜ eh=PL or PM or ZE ＞］Then［u=ZE］。根據經驗與調試情況，建立其余規則，具體規則如下。

無溫差時關閉太陽能:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=PL or PM or ZE＞］Then［u=ZE］。當太陽能因補水過猛而導致太陽能集熱器內降溫速度過快，則太陽能出水閥開度降低:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞ and ＜Δet=NL＞］Then［u=NM］。如果太陽能補水能力較強時，則進行大開度補水:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞and＜Δet=ZE or NM or PL or PM＞］Then［u=NL］;如果太陽能補水能力較弱時，進行小開度補水:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=NM＞］Then［u=NM］。如果水箱快補滿了，則盡量吸收完太陽能的熱量:If［＜eh=NM＞and＜et=NL＞］Then［u=NL］。最后用Mamdani法計算出模糊蘊含關系［5］，得出模糊控制總表并存儲在 PLC中。系統在運行過程中，實時調用該表來控制太陽能出水閥的開度。這一過程所需的計算量非常少，完全可以滿足對PLC實時性的要求。

3.3 熱泵補水

對熱泵補水的控制要充分考慮到分時電價的情況與用戶的用水需求，結合太陽能補水情況進行綜合節能。其總體節能策略是:在任何時刻，都將太陽能的水溫水箱期望值h*設為水箱最高水位，以保證太陽能作為補水先鋒，保證一天內能用盡太陽能所產生的熱量;其次，熱泵按照酒店熱水使用需求來安排加熱時間，同時按照峰谷電價情況避開高電價時段。

通常情況下，酒店的峰價時間分別為8∶00～11∶00、13∶00 ～15∶00、18∶00 ～21∶00。這幾個時段的電價十分昂貴，原則上，熱泵不在上述時間段開啟。22∶00～6∶00為谷價時間，電價相對便宜，是使用熱泵較好的時間段，其他時間為平價時間段。由此可見，晚上18∶00～21∶00原則上是不開啟熱泵的，但此時又無法使用太陽能。而根據酒店用水歷史記錄可知，大量的洗浴用水往往都是在這一時段消耗掉的，所以在晚上21∶00這一時刻的熱水存儲量是一天內最少的。由此，以晚上21∶00～次日21∶00為一個加熱循環周期。

在加熱周期中的低價時段，熱泵補水至凌晨目標值。該值決定了熱泵在低價時間對水箱的補水量。如果這個量過大，那么就有可能在白天陽光較好的情況下，由于水箱已快補滿熱水，導致太陽能所產生的熱水不能進入水箱，違背節能的原則;如果是在大冬天，氣溫較低，在熱泵能效比也較低的情況下，熱泵凌晨目標值較小，就有可能在晚上18∶00時刻，熱泵無法將水位加熱到水箱最高點。所以此值需要由用戶設定或由上位機通過網絡獲知當日天氣信息，然后再通過Profibus傳入到PLC來決定。

由于在一個加熱循環周期內，水位在晚上18∶00應當是最高的，因此，不妨把此刻最高的期望水位設為水箱的最高點。故在加熱周期中，當天熱泵補水能力的估計為:

式中:y為熱泵加熱能力;a為凌晨5∶00水量;b為凌晨3∶00水量;t1為實際加熱時間。

平均時刻水量期望值表達式為:

式中:z為平價時刻水量期望值;c為水箱最大水量;t2為剩余平價時間。

最后將當時的實際水位與該時刻水量的期望值進行比較，決定熱泵的啟停。

在加熱周期的高價時段，原則上不開啟熱泵，但為了保證水箱能提供足夠量的水，在一個加熱周期中設置一條熱泵啟停安全線。安全線包括了每一時刻水箱的期望值，當水箱液位低于該值時，啟動熱泵與電加熱，以便生產出足夠的熱水供用戶使用。

4 實際運行情況

本文所設計的洗浴熱水系統已在某賓館中穩定運行了較長時間。在系統實際運行過程中，若天氣晴朗，水箱水位從早晨8∶00開始上升，直到15∶00左右，接近其最大值;若陽光微弱，太陽能集熱器補水能力就會很弱，而熱泵會在一天中谷價時段和平價時段開啟，使水箱液位在6∶00時仍然上升至最大值。在晚上，水箱中熱水大量用于洗浴，在次日凌晨水箱水位達到最低。整個洗浴熱水系統是在按需生產的原則下運行的。

5 結束語

本文設計了基于模糊控制的新型節能洗浴熱水系統。該控制系統采用太陽能集熱器、空氣源熱泵組合的方式來制取洗浴熱水，節能環保，改變了以往使用燃油鍋爐所帶來的環境污染和資源浪費的情況。同時，針對太陽能補水大滯后和延遲的特點，采用模糊控制策略。在實際運行過程中，系統穩定，水位在預計的范圍內波動，符合按需生產的原則。此外，熱泵運行時段避開了高電價時段，在一定程度上節省了電費。

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