太陽能與燃氣熱水器聯合控制系統的實驗研究

楊朝暉，馬光柏，李培倫

（1.山東建筑大學 計算機科學與技術學院，山東 濟南250101；2.山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟南250103）

0 引言

隨著太陽能熱利用技術的迅速發展，太陽能熱水系統技術逐漸成熟，在我國農村、城市都得到了很好的應用，各地政府也出臺了相應的強制安裝政策鼓勵太陽能熱水器的推廣。在實際使用時，太陽能熱水器易受地區、季節、天氣、時間等因素的影響導致供熱的穩定性和連續性較差［1－2］，需要采用輔助能源達到使用的效果。常見的輔助能源一般是電能，但是采用電加熱給太陽能熱水器水箱升溫存在耗時久、能耗高等缺點，整箱熱水如果不能一次全部利用，余水還會形成熱量散失，造成能量浪費。

有關研究提出采用燃氣熱水器輔助太陽能熱水器聯合供應熱水的解決方案，主要是利用燃氣熱水器的即用即開、方便快捷等特點，能夠解決太陽能熱水器供水溫度不穩定、不連續、電輔能源浪費、縣鄉村生活熱水供應難等問題。桑松表［3］對一個集中供熱水的太陽能系統采用鍋爐、電、燃氣3種輔助熱源加熱進行比較，指出燃氣熱水器輔助熱源優勢明顯；陳莘［4］論證了選用容積式燃氣熱水器作為輔助熱源應用在工程項目上可最大程度上節省能耗；陳志光等［5－6］開展了太陽能與燃氣復合熱水系統的運行分析，證明太陽能與燃氣復合熱水系統具有良好的經濟性；Bourke等［7］研究了燃氣熱水器輔助太陽能系統的年節能量測試方法，建立了燃氣熱水器穩態性能的測試評價方法；Zoukit等［8］和López-Vida?a等［9］進行了太陽能燃氣聯合的干燥系統的研究。除了熱水供應方面的研究，技術人員還開展了太陽能和燃氣壁掛爐聯合供暖的相關研究［10－14］，提出了太陽能—燃氣供暖熱水爐互補供能系統、相應的設計計算方法及系統評價指標［15］。但由于供暖有季節性，兩者聯合的使用頻率和應用效果未能在全年得到體現。

上述研究大多是從系統結合方式、優勢、節能效果等方面進行分析，但針對太陽能在不同天氣條件下水溫的波動對燃氣熱水器的影響、用戶用水溫度變化方面并未涉及。當太陽熱水器水溫較高時，啟動燃氣熱水器會出現突然的溫度瞬變，影響用戶的體驗，甚至有引起燙傷的危險。根據燃氣熱水器需要一定啟動水壓的特點和高層住宅建筑強制安裝太陽能熱水器政策出臺的現狀［16－17］，文章選定承壓式太陽能系統與燃氣熱水器聯合供應熱水，并對相應的溫度控制進行實驗研究，分析二者結合對熱水性能的影響與節能的效果，為太陽能熱水工程系統如集中集熱集中供熱太陽能系統與燃氣熱水器的聯合應用提供參考。

1 太陽能與燃氣熱水器聯合控制系統的方案設計

1.1 聯合系統的控制方式

由于外界因素的影響，太陽能熱水器水箱內溫度在20～70℃之間，溫差范圍很大，用戶使用太陽能熱水洗浴，一般＜40℃的熱水就無法再使用，可利用燃氣熱水器繼續加熱。而燃氣熱水器的進水一般是以10～15℃的低溫冷水考慮使用模式、火焰大小、溫度高低的設定與控制，根據設定的最高水溫和入口低溫冷水之間的溫差，保證熱水流量的前提下調節火焰大小；當使用模式變化時，通過調節火焰和流量達到恒溫效果。其聯合控制方式通常有3種：

（1）太陽能熱水器和燃氣熱水器均可獨立運行，但這樣做的缺點是存在太陽能熱水器內＜40℃的熱水無法繼續使用，造成一定能量浪費。

（2）太陽能熱水器的熱水經過燃氣熱水器，當溫度滿足洗浴時燃氣熱水器不啟動，直接使用太陽能的熱水；當太陽能熱水系統溫度不能滿足洗浴時，燃氣熱水器開啟，加熱太陽能熱水器的水達到洗浴溫度。

（3）燃氣熱水器加熱太陽能熱水器整個水箱內的水，用戶使用時從太陽能熱水器水箱內取用熱水，但缺點是燃氣熱水器需要加熱整個水箱，耗時長且不易控制恒溫，如一次性使用不完會造成熱量浪費。

在充分優先使用太陽能熱水的前提下，第2種方式能夠最大程度地使用太陽能的熱量，且即開即用，不存在能源浪費現象，是比較合理的方式。燃氣熱水器單獨使用時，由于冷水溫度相對恒定，因此溫度控制比較容易，但太陽能熱水器水箱的溫度變化比較大，當水箱中的水進入燃氣熱水器再次升溫時，存在溫度驟變影響洗浴甚至造成燙傷的風險，文章針對該問題及其控制進行實驗和研究。系統原理圖如圖1所示。

1.2 太陽能熱水器的控制方案

系統主要由太陽能集熱器、太陽能儲熱水箱、燃氣熱水器以及相應的控制設備組成。太陽能熱水器控制方案主要有：

（1）溫差循環 當太陽能集熱器傳感器溫度＞太陽能儲熱水箱溫度（4～8℃可調）時，控制器驅動循環泵，集熱循環啟動；當溫差＜2～4℃（可調），集熱循環關閉。

（2）過熱保護 當集熱器溫度達到過熱保護溫度（90～115℃可調，默認100℃），或水箱溫度達到過熱保護溫度（65～75℃可調，默認65℃），進入過熱保護，循環泵不啟動。當集熱器溫度＜90℃，且水箱溫度小于過熱保護設定溫度時，泵才會重新按溫差循環條件啟動。

（3）管路防凍循環 當集熱器溫度＜10℃，進入間歇防凍循環，循環泵每8 min持續運行15 s，如檢測到集熱器溫度＞10℃，循環結束；當集熱器溫度＜2℃，進入連續防凍循環；當集熱器溫度＞6℃，停止持續防凍循環。使用防凍液的系統，可以關閉防凍循環。

（4）溫度查詢 可查詢集熱器溫度、水箱溫度、冷水溫度、燃氣熱水器出水溫度等。

（5）其他 時間設置，斷電記憶＞4 d，漏電保護功能。

1.3 太陽能與燃氣熱水器聯合控制的方案

采用調氣閥和調水閥雙重控制的方式設計燃氣熱水器來適應進水溫度變化幅度大從而實現恒溫效果。在滿足用戶對出水水溫恒溫、恒壓要求的前提下，太陽能熱水器的水溫達到用戶用水需求時，燃氣熱水器不開啟；當太陽能熱水器水溫無法滿足用水需求時，燃氣熱水器可做輔助熱源，升溫太陽能熱水器中的水，最大化利用太陽能而減少燃氣用量，節約了能源。太陽能與燃氣熱水器聯合控制的方案主要有：

（1）點火打開出水閥，冷水經過水—氣聯動裝置、水量調節閥，進入熱交換器盤管。當檢測到用水水壓時，打開風機，檢測到風壓正常，聯動閥推桿左移，推動微動開關觸點閉合接通電源，點火器打開。點火器打開約1 s后，燃氣電磁閥開啟，燃氣進入噴嘴，達到均勻分布的火排出火口，形成穩定的火焰燃燒。

（2）低溫設置恒溫調節點火后，根據冷水溫度、流量傳感器、設定溫度的值，計算需要達到的燃燒火力的大小，從而調整燃氣比例閥開度，根據溫度傳感器檢測到的實際溫度和設定溫度的比較，進行比例閥開度的PID（Proportion Integration Differentiation）調節，實現閉環控制，同時調節對應風機轉速使送風量和耗氣量相匹配。

（3）當高溫溫度＞65℃時，先調節燃氣比例閥開度控制火焰，如溫度與設定溫度仍有差異，調節調水閥控制流量，達到設定溫度恒溫調節。

（4）當水壓波動，根據流量傳感器的檢測值，調節燃氣比例閥達到溫度恒定。

（5）當燃氣壓力波動，根據出口溫度檢測值反饋，調節燃氣比例閥。

（6）關閉進水閥或熱水淋浴噴頭，水流停止，流量傳感器檢測到流量為零，水—氣聯動閥關閉，燃氣被切斷，燃燒的火焰熄火。

燃氣熱水器聯合控制示意圖如圖2所示。

圖2 燃氣熱水器聯合控制示意圖

在聯合控制方案中，集熱器溫度優先級最高，當集熱器溫度傳感器滿足保護條件，太陽能系統停止運行；太陽能熱水器水箱出水溫度為次級優先級，當其溫度高于設定溫度，燃氣熱水器不開啟以實現節能；燃氣熱水器出水溫度為第三優先級，保證用戶用水溫度的舒適性。太陽能和燃氣熱水器聯合控制方案流程圖如圖3所示。

圖3 太陽能和燃氣熱水器聯合控制流程圖

為滿足用戶對產品智能化的使用需求，方案中還開發了移動設備上的遠程控制平臺，能夠通過無線（局域）網Wi－Fi（Wireless Fidelity）信號將聯合控制系統與手機進行匹配，可實現手機對熱水器的控制，具有溫度設置、顯示、輔助加熱等功能模塊。遠程控制軟件界面如圖4所示。

圖4 遠程控制軟件界面圖

2 聯合控制系統的實驗研究

2.1 實驗裝置

太陽能熱水系統選用的產品型號為Q－JF2－200／4.00／0.80－QFS，即4 m2太陽能集熱器，配置200 L儲熱水箱，強制循環分體式太陽能熱水器。為方便實驗進行，選用液化氣適用的燃氣熱水器，由廠家專門研發，型號為JSQ20－T IV，具有自動恒溫功能，熱水產率10 kg／min（Δt為25℃），熱負荷20 kW（72 MJ／h），適用水壓0.03～0.40 MPa。對太陽能熱水系統與燃氣熱水器聯合系統運行進行實驗研究，實驗系統實物圖如圖5所示，燃氣熱水器及控制器如圖6所示。

圖5 太陽能熱水器與燃氣熱水器聯合實驗實物圖

圖6 燃氣熱水器及控制器實物圖

正常安裝太陽能熱水器后將燃氣熱水器與儲熱水箱串聯，即冷水水源連接至太陽能儲熱水箱冷水進口，儲熱水箱熱水出口連接燃氣熱水器進水口，燃氣熱水器出水口連接淋浴噴頭。分別在儲熱水箱進水口、出水口、燃氣熱水器出水口放置溫度傳感器測量冷水溫度、儲熱水箱出水溫度，即燃氣熱水器進口溫度、燃氣熱水器出口溫度。回路中放置流量計測量出水流量。

2.2 實驗方法

根據GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》［18］對熱水性能的相關要求，進行熱水溫升、停水溫升、加熱時間、熱水溫度穩定性、熱水溫度穩定時間、水溫超調幅度、水溫波動等項目的實驗。在實驗過程中采集冷水進水溫度、水箱熱水出水溫度、燃氣熱水器出口溫度、水流量、管路壓力等值，觀察經過燃氣熱水器加熱后水溫是否達到設定溫度、太陽能水箱內水溫變化時燃氣熱水器出水溫度是否能恒定、使用過程中調節設定溫度和開關混水閥時溫度波動情況等，以驗證燃氣熱水器與太陽能熱水器聯合控制系統是否符合用戶使用要求。

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 停水溫升值的分析

調節熱水器出水溫度比進水溫度高（40±5）K，運行10 min后，停止進水，1 min后再次運行，測定熱水的最高溫度。所測定的出熱水最高溫度值減去調定的熱水溫度值，即為停水溫升值。

實驗中進水溫度19℃，設定溫度59℃，進水動壓0.1 MPa。停水溫升實驗結果如圖7所示。

由圖7可知，設定溫度59℃，出水溫度穩定在58.1℃，圖中第1次“OFF”點為關閉冷水進水閥門，此時燃氣熱水器熄火，1 min后“ON”點重新打開進水，熱水器啟動，最高溫度為60.2℃，停水溫升為2.1℃；再次穩定運行，第2次“OFF”和“ON”處，出水穩定溫度為58℃，最高溫度為60.6℃，停水溫升為2.6℃。技術要求停水溫升≤18 K，符合要求。

圖7 停水溫升溫度曲線圖

2.3.2 水溫超調幅度和熱水溫度穩定時間的分析

將燃氣熱水器出水溫度值設定在比進水溫度高（30±2）K，當溫度穩定后，用增加水壓的方式調整水流量，使燃氣閥門開至最大，最大水流量Qmax逐漸降低水流量至0.8Qmax，溫度穩定后記錄溫度值tr。在2 s內將水流量降低至0.6Qmax，同時測量出水溫度達到（tr±2）℃的時間；再將水流量迅速從0.6Qmax升高至0.8Qmax，測量出水溫度達到（tr±2）℃的時間，取降低和升高2次時間的平均值。以上過程的出水最高溫度和最低溫度的差值即為超調幅度。

實驗中進水溫度為19℃，設定溫度為49℃，Qmax為495 L／h。水溫超調幅度和熱水溫度穩定時間實驗結果如圖8所示。

由圖8可知，設定溫度49℃后，在流量由0.8Qmax降 低 為0.6Qmax時，出 水 溫 度 最 高 值 為50.9℃，熱水溫度穩定時間為20 s，流量再由0.6Qmax升高為0.8Qmax時，出水溫度最低值為46.6℃，熱水溫度穩定時間為30 s。因此實驗過程中水溫超調幅度為＋2.5～－1.7℃，熱水溫升穩定時間為25 s。

圖8 水溫超調幅度和熱水溫度穩定時間圖

2.3.3 水溫波動的分析

將燃氣熱水器溫度調節至一定溫度，恒定水流量和進水溫度，穩定運行5 min，在出水口測量出水溫度，10min內測定的出水溫度最大值和最小值的偏差即為水溫波動。水溫波動實驗結果如圖9所示。

圖9 水溫波動曲線圖

由圖9可知，恒定流量和恒定進水溫度后，10 min內測定的出水溫度最高值為58.8℃，最低值為57.9℃，溫差即水溫波動為0.9℃。

2.3.4 加熱時間的分析

將熱水器溫度設定成高于進水溫度（40±1）K，出熱水5 min后停止供燃氣，直到出、入水溫相等后再重新啟動，測出熱水溫度達到比設定溫度低5℃時所需的時間。加熱時間實驗結果如圖10所示。

圖10 加熱時間溫度曲線圖

進水溫度為19℃，設定溫度為59℃，溫度穩定5 min后關閉燃氣熱水器電源，待進出水溫度一致后再打開燃氣熱水器將水溫加熱至55℃。圖10中虛線區間為水溫從19℃加熱至55℃所用的時間，具體時間為11∶33∶55－11∶34∶30，總共35 s。

2.3.5 與太陽能熱水器水箱串聯使用的溫度波動分析

為充分驗證燃氣熱水器與太陽能熱水器水箱串聯后的加熱情況，實驗觀測模擬洗浴過程中調節設定溫度和開關混水閥時淋浴噴頭出口溫度波動情況。燃氣熱水器初始設定溫度為45℃，每次調節設定溫度幅度為5℃。太陽能水箱內的初始溫度為55.8℃，持續用水直到水箱溫度低于燃氣熱水器設定溫度，達到點火條件，燃氣熱水器工作將溫度提升，此時檢查出口的最高溫度是否出現極端高溫或溫度不穩定等情況。調節設定溫度和開關混水閥出水溫度實驗結果如圖11所示。

圖11 調節設定溫度和開關混水閥出水溫度曲線圖

由圖11可以看出：

（1）初始設定溫度為45℃，當太陽能水箱的溫度從55.8℃逐步降低，至進入燃氣熱水器溫度達到43℃時，燃氣熱水器點火，點火溫度低于設定溫度2℃。點火后出水溫度達到最高值49℃，高于設定溫度4℃，此后溫度逐漸降低后穩定在44.2℃。出現高溫的原因是每次熱水器斷電后再通電運行，程序有自適應過程，如果不斷電持續運行則上述情況可以避免。

（2）燃氣熱水器溫度設定為50℃，此時僅調節火力，溫度穩定在49.1℃，出現的最高溫度值為52℃。溫度穩定后，關閉混水閥，約15 s后再打開，檢測到最低水溫43.7℃。這是由于管路里的水冷卻造成的，燃氣爐開啟，溫度穩定在49℃。

（3）燃氣熱水器溫度設定為55℃，調節火力，出現了瞬時的溫度尖峰56.9℃，溫度穩定在54.1℃，再次打開混水閥，管路內的溫度為42.3℃，點火后的溫度最高達到56℃，之后穩定在54℃。

（4）燃氣熱水器溫度設定60℃點火后，仍然只調節火力，流量不變，溫度穩定在59.1℃。關閉混水閥，再次點火，最高溫度63℃，再次穩定在59.4℃。

（5）燃氣熱水器溫度設定為65℃，溫度穩定在64℃，關閉混水閥后再次打開，此時程序同時調節火力和流量，因此溫度波動比較大，管路內水溫為52.3℃時，最高溫度達到70.7℃，穩定在63.7℃；重復1次實驗，關閉混水閥后再打開，結果一致。由于一般洗浴過程中不會將水溫設置超過60℃，因此該現象不會影響洗浴過程的體驗。

（6）再次將溫度設定為60、55℃，實驗結果和升溫調節一致，溫度穩定，開關閥前后有溫度瞬變。

針對出現溫度尖峰的情況，分析查找原因，最終確認為燃氣比例閥初始開度默認值過大，導致點火瞬間出現溫度尖峰，根據出水溫度反饋控制調節后才趨于平穩。為此對控制程序進行改進，降低燃氣比例調節閥初始開度，再次進行水溫波動實驗。改進控制后的調節設定溫度和開關混水閥出水溫度實驗結果如圖12所示。

圖12 改進控制后的調節設定溫度和開關混水閥出水溫度曲線圖

圖12中，a處為關閉水箱出水口閥門之后再打開時的溫度波動情況；b處為關閉燃氣熱水器，再打開后的出水溫度波動情況；c處為將燃氣熱水器溫度設置為45℃，關閉混水閥后，然后再次打開混水閥的水溫波動情況；d、e、f、g、h、i處是出水不關閉，將設定溫度依次調整為50、55、60、55、50、45℃時的出水溫度變化情況；j、k處依次為設定溫度升高為55、65℃，關閉混水閥，然后再次打開混水閥的溫度波動情況。由實驗結果可見，調整控制程序后燃氣熱水器出口溫度尖峰消失，出水恒溫性得到明顯改善。

將上述實驗結果根據GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》［18］進行驗證，燃氣熱水器的熱水性能各項參數結果見表1。

表1 熱水性能參數的結果表

由表1可知，在太陽能水箱溫度從高到低變化過程中燃氣熱水器運行穩定，太陽能熱水器水箱的水經過燃氣熱水器加熱后出水溫度能夠達到設定值并保持穩定。進水壓力發生變化或者用水過程中開關出水閥門，燃氣熱水器熄火后重新啟動時會出現短暫的水溫波動，波動范圍不超過3℃。系統的各項參數符合國家標準要求，證明了太陽能與燃氣熱水器聯合控制具有可行性。

2.3.6 系統的節能效果分析

按照GB／T 19141—2011《家用太陽熱水系統技術條件》［19］，在日太陽輻照量為17 MJ／m2條件下，日有用得熱量實測值為8.0 MJ／m2，即系統平均熱效率為47%。在山東力諾瑞特新能源有限公司檢測中心進行全年太陽輻照的監測，得到月度平均日太陽輻照量（42°）實測數據見表2。

表2 濟南月平均日太陽輻照測試數據表

由太陽能熱水器效率計算可得：冷水溫度為15℃，當日太陽輻照量＜11MJ／m2時，水箱內的溫度＜40℃，無法直接使用，通過與燃氣熱水器結合能夠使用。實測數據中，日太陽輻照量＜11 MJ／m2的共127 d，合計被太陽能熱水器接收并通過燃氣熱水器利用的能量為385 MJ／m2；日太陽輻照量＞11 MJ／m2共238 d，水箱溫度＞40℃，太陽能熱水可直接使用，直至水箱溫度下降到40℃，由熱水輸出率實驗結果可知，此時水箱上部溫度為40℃，底部溫度為冷水溫度15℃，水箱平均溫度為25℃，即太陽能的能量尚有10℃的溫差在水箱中可以被燃氣熱水器利用，每天可節能21 MJ／m2，合計節能500 MJ／m2。通過太陽能和燃氣的聯合應用，全年累計可節約能量為885 MJ／m2，案例中4 m2集熱器的太陽能熱水器，共節能3 540 MJ，即折合電能983 kWth。

3 結論

文章制定了太陽能與燃氣熱水器聯合控制系統的方案，并通過實驗研究得到了如下結論：

（1）太陽能使用燃氣熱水器作為輔助熱源，二者聯合后各項熱水性能參數均達到了國家標準的要求，表明太陽能與燃氣熱水器聯合控制系統具有可行性，能夠保障用戶的使用體驗。

（2）太陽能與燃氣熱水器聯合控制系統的年節能量可觀，達到3 540 MJ，表明聯合控制能最大化利用太陽能實現節能減排，是一種較好的多能互補熱水供應方式。