一種強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的流量控制方法探討

楊一棟

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730046）

甘肅省年太陽(yáng)能總儲(chǔ)量為72 萬(wàn)億kW，是我國(guó)第二大太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，有巨大的開發(fā)利用潛力[1]。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，是主要的太陽(yáng)能熱利用方式，從戶用太陽(yáng)能熱水器到中、大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用。強(qiáng)制循環(huán)式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)因集熱效率較高而備受用戶信賴，其中循環(huán)水泵是熱量傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備,也是系統(tǒng)日常運(yùn)行耗電最多的設(shè)備,因此，循環(huán)水泵的耗電量直接關(guān)系到整個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

本文針對(duì)強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的流量恒定循環(huán)易造成常規(guī)電能浪費(fèi)的問(wèn)題，基于PLC（可編程控制器）的模糊PID 控制和變頻調(diào)速技術(shù)，提出一種隨著不同太陽(yáng)輻射值動(dòng)態(tài)變化的強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水流量控制方法，使循環(huán)水泵的功率按照“實(shí)時(shí)、可調(diào)、智能”的工況優(yōu)化運(yùn)行，提高系統(tǒng)的集熱效率，使節(jié)能技術(shù)更加節(jié)能。

1 現(xiàn)有太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的流量控制方法分析

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)流量控制方法

強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中循環(huán)流量參數(shù)至為關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的效率，同時(shí)需要考慮季節(jié)、天氣、時(shí)刻和地域等因素。目前廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的控制部分不能同步季節(jié)或每日太陽(yáng)輻照度的實(shí)時(shí)變化。系統(tǒng)的流量控制方法有以下3 種：

（1）時(shí)間控制方式即控制系統(tǒng)設(shè)定好時(shí)間，循環(huán)水泵白天開啟晚上關(guān)閉，這種方式水泵運(yùn)行與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、日照、集熱器溫度無(wú)關(guān)，即使在陰雨天氣情況下也是固定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）溫差控制方式是利用集熱器和儲(chǔ)熱水箱的溫差控制，當(dāng)溫差小于設(shè)定值時(shí)，循環(huán)水泵不啟動(dòng)，集熱器和儲(chǔ)熱水箱不換熱，當(dāng)溫差大于設(shè)定值時(shí)循環(huán)水泵啟動(dòng)，集熱器和儲(chǔ)熱水箱換熱，如此不斷循環(huán)換熱。

（3）光控控制方式是采用光控裝置檢測(cè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度來(lái)控制水泵的開啟和停止，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定光控儀閾值水泵停止，高于光控儀設(shè)定閾值水泵啟動(dòng)，水泵轉(zhuǎn)速和流量不會(huì)隨每天不同時(shí)段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化。

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)流量控制方法的局限性

（1）時(shí)間控制方式采用時(shí)間繼電器和中間繼電器組合控制，只是單純的時(shí)間控制，即白天運(yùn)行和夜晚停止，循環(huán)水泵流量的設(shè)計(jì)按全年太陽(yáng)輻射平均值選取，致使循環(huán)水泵運(yùn)行與日照、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及集熱器得熱量無(wú)關(guān)，常常在日照較弱或無(wú)日照的陰雨天情況下也按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行水泵，造成無(wú)效運(yùn)行，浪費(fèi)電能，或者使熱水系統(tǒng)效率降低。

（2）溫差控制方式是利用集熱器和水箱溫差控制，當(dāng)溫差小于設(shè)定值時(shí)，循環(huán)水泵不啟動(dòng)，當(dāng)溫差大于設(shè)定值時(shí)循環(huán)水泵啟動(dòng)，使集熱器和儲(chǔ)熱裝置換熱，這種控制方式室外布置測(cè)點(diǎn)較多，控制復(fù)雜，故障率高，水泵頻繁啟停，控制不夠精細(xì)，系統(tǒng)節(jié)能效果一般。

（3）光控控制方式是應(yīng)用光控裝置檢測(cè)太陽(yáng)輻照度來(lái)控制水泵的開啟和停止，當(dāng)太陽(yáng)輻照度低于設(shè)定光控儀閾值時(shí)水泵停止，高于光控儀設(shè)定閾值時(shí)水泵啟動(dòng)，光控儀只檢測(cè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，與繼電器配合控制水泵開啟和停止，在開啟的閾值范圍值中，水泵一直固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，雖然解決了太陽(yáng)輻照度過(guò)小時(shí)停止運(yùn)行，減少無(wú)效或效率太低運(yùn)行情況，但啟動(dòng)運(yùn)行后水泵轉(zhuǎn)速和流量不會(huì)隨太陽(yáng)輻照度實(shí)時(shí)變化，水泵不能變速運(yùn)行，導(dǎo)致運(yùn)行能耗也較大。

有學(xué)者提出在終端配水點(diǎn)處加設(shè)簡(jiǎn)易的水流指示器，或在最不利配水點(diǎn)安設(shè)感溫元件來(lái)自動(dòng)控制循環(huán)水泵啟停[2]；也有學(xué)者研究了光伏直驅(qū)式熱水系統(tǒng)流量模型特性，并得知光伏分組連接方式可作為熱水系統(tǒng)首選的連接方式[3]，但當(dāng)前未有將太陽(yáng)輻射變化同光控技術(shù)、PLC 以及變頻調(diào)速等技術(shù)融合一起來(lái)控制循環(huán)泵調(diào)節(jié)換熱流量的設(shè)計(jì)方法。強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中水泵的流量和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的進(jìn)出水溫差直接反映太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，根據(jù)不同溫差讓水泵轉(zhuǎn)速變化，讓水泵流量與每天不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相適應(yīng)，工作在最經(jīng)濟(jì)的工況下就會(huì)有明顯的節(jié)能效果。

2 一種新的流量控制方法

2.1 流量控制方法思路

本文提出的流量控制設(shè)計(jì)方法是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于太陽(yáng)輻射隨季節(jié)和每天時(shí)刻在不斷變化，利用太陽(yáng)輻射和供回水溫度之間的邏輯關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)供回水溫度，使系統(tǒng)換熱流量隨太陽(yáng)輻射實(shí)時(shí)變化的一種適用于強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的流量控制設(shè)計(jì)方法。如圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)示意圖

本方法通過(guò)檢測(cè)供回水的溫度，分析設(shè)定值與實(shí)際接收的檢測(cè)值信號(hào)偏差以及偏差的變化率，應(yīng)用模糊PID 參數(shù)控制算法，經(jīng)模糊推理，獲得相應(yīng)的輸出變量，再用該參數(shù)精確地控制變頻器輸出，水泵轉(zhuǎn)速改變，循環(huán)流量隨輸出變化，水泵功率隨之變化，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)控制更加精準(zhǔn)，提高太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱效率，改善循環(huán)水泵全天定功率運(yùn)行的工況，達(dá)到節(jié)約電能效果。

2.2 流量控制方法的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是利用光電轉(zhuǎn)換、PLC（可編程控制器，含模糊PID 控制單元模塊）和變頻調(diào)速技術(shù)的集成。在控制系統(tǒng)中配備光控探頭，接收不同強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射后把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，應(yīng)用控制系統(tǒng)中的PLC 開定時(shí)控制和關(guān)量功能，按設(shè)定的時(shí)間和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值（閾值），聯(lián)合控制系統(tǒng)每天的啟停時(shí)間。如圖2 所示。

圖2 流量控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

閾值達(dá)到系統(tǒng)開啟期間，在閉環(huán)模糊PID 控制單元中，檢測(cè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的供水和回水溫度，得到供回水溫差值，將供回水溫度的溫差作為模糊PID 控制的輸入量，在采樣周期內(nèi)計(jì)算出設(shè)定值和實(shí)測(cè)溫差值的偏差和偏差變化率，經(jīng)模糊推理獲得相應(yīng)輸出變量參數(shù)，用該參數(shù)控制系統(tǒng)輸出，從而控制變頻器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的輸出流量，改變被控水泵的功率，降低水泵能耗。

2.3 流量控制結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)光敏探頭接收太陽(yáng)輻射，經(jīng)過(guò)變送器得到不同太陽(yáng)輻照度下的不同強(qiáng)度信號(hào)，完成太陽(yáng)輻射的采集，轉(zhuǎn)化成不同電流。不同電流輸入PLC，依靠PLC 開關(guān)量和定時(shí)控制功能，控制系統(tǒng)可以使太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定值（閾值）時(shí)，水泵不啟動(dòng)，達(dá)到設(shè)定值（閾值）時(shí)啟動(dòng)。如圖3 所示。

圖3 模糊PID 流量控制結(jié)構(gòu)原理圖

達(dá)到設(shè)定值（閾值）系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，PLC 內(nèi)置閉環(huán)模糊PID 控制單元模塊，模糊PID 控制單元設(shè)定值是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫差信號(hào)值r，由于太陽(yáng)輻照度變化，在不同輻照度下實(shí)際監(jiān)測(cè)供回水差值不同，溫度監(jiān)測(cè)器檢測(cè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的供回水溫度變化，得到實(shí)際供回水監(jiān)測(cè)溫差信號(hào)值為反饋值y，反饋給模糊控制系統(tǒng)得到設(shè)定值和監(jiān)測(cè)值得計(jì)算偏差e=r-y，采用二維模糊控制，模糊PID 控制單元模塊的輸入值為偏差值e和偏差的變化率ec=de/dt，應(yīng)用模糊PID 參數(shù)控制算法，經(jīng)模糊推理獲得相應(yīng)輸出變量參數(shù)u，再用該參數(shù)精確地控制系統(tǒng)輸出，即控制PWM 電路的占空比，從而得到相應(yīng)的4～20mA 控制電流輸入到變頻器，控制變頻器頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，既控制循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，在保持設(shè)定揚(yáng)程下，循環(huán)水泵的流量變化，循環(huán)水泵功率隨之變化。變頻控制器在調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)循環(huán)泵的流量目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中水泵的流量和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的進(jìn)出水溫差直接反映太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，根據(jù)不同溫差讓水泵轉(zhuǎn)速變化，使水泵流量與實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻射值相匹配，熱水系統(tǒng)工作在最優(yōu)化的工況下，同時(shí)，兼顧熱水系統(tǒng)選型、管路安裝和系統(tǒng)連接等因素，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)綜合考慮此項(xiàng)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的節(jié)能與節(jié)水。

隨著我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，綠色、生態(tài)成為建筑技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，建筑設(shè)備的智能化是建筑節(jié)能技術(shù)的重要組成部分，不斷完善建筑中應(yīng)用太陽(yáng)能等可再生能源技術(shù)的能源管理監(jiān)管系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保的建筑提供有力的技術(shù)支撐。