基于新能源供能的智能化恒溫熱水系統應用

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熱水系統應用

馬躍軍，張喜玲，蔣冠前，胡韻華

(許昌開普電氣研究院有限公司，河南 許昌 461000)

在國家提倡節約能源、低碳減排的背景下，針對燃氣鍋爐供給熱水系統提出新能源供能智能化恒溫熱水系統，該系統以太陽能為主要的能源，有效地利用太陽能熱效率，實現數字智能化管理，全天候的供給恒溫熱水，提高用戶日常生活的滿意度。

低碳減排；新能源；太陽能；恒溫熱水

0 引言

園區的生活熱水系統和供暖系統共用燃氣鍋爐，其中供暖系統工作時間為11月15日至次年的3月15日，生活熱水系統工作時間為全年。在非供暖季使用燃氣鍋爐供應生活熱水，熱能利用率較低，排放煙氣污染環境，熱水單價成本較高。因此，園區的生活熱水系統急需一種低碳環保無污染的新能源供能系統來替代燃氣供熱系統[1]。

目前，國內傳統的生活熱水系統的供熱方式主要是消耗非再生能源，如燃煤鍋爐供熱、燃氣鍋爐供熱和燃油鍋爐供熱等，該供熱方式熱能利用效率低，對環境造成較大的危害。太陽能熱水系統具有潔凈無污染、能源可再生的特點，但是，在冬季和陰天的光照時間較短，在該時段熱水產量溫度滿足不了需求，為了解決該問題，增加空氣能設備作為輔助加熱[2-5]。綜上所述，提出新能源供能的智能化恒溫熱水系統。

1 概況

新能源供能智能化恒溫熱水系統以太陽能為主，空氣能為輔，全天候的供給用戶生活熱水，實現潔凈能源代替傳統能源，節能降耗，低碳減排的目的。

恒溫熱水供給采用集熱循環和恒溫循環的方式。集熱循環以集熱器為主，當集熱器中熱水的溫度高于集熱水箱的溫度閾值時，通過集熱循環水泵進行熱循環，把集熱器中的水收集到集熱水箱中。當集熱器中的熱水溫度低于集熱水箱溫度閾值時，關閉集熱循環水泵，停止熱水收集。當集熱水箱的水位低于設定閾值時，補水泵進行補水。恒溫循環的出水設定為50 ℃，當恒溫水箱的溫度達不到50 ℃、集熱水箱的溫度高于設定值時，通過恒溫循環泵進行熱水循環。當集熱水箱的水溫低于設定值時，關閉恒溫循環泵，通過空氣能對恒溫水箱的熱水進行加熱，當恒溫水箱的水位低于閾值時，通過恒溫循環泵把集熱水箱的熱水補給恒溫水箱，最大效率地利用太陽能。

2 理論設計

新能源供能智能化恒溫熱水系統由集熱器、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，其結構圖如圖1所示。

圖1中：W1為太陽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為太陽能集熱水箱溫度傳感器，與水位W1一體；T3為防凍循環溫度傳感器(安裝于集熱循環管路最低溫度點)；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(安裝于用水循環管路最低溫度點)；T6為上水管道 1 電伴熱溫控傳感器(一般安裝于自來水上水管道，位置可根據實際情況而定)；P1為集熱管路循環泵，亦作為防凍循環泵；P2為用水管路循環泵(亦可用電磁閥+自動增壓泵形式)；P3為恒溫水箱定溫進水泵，亦作為恒溫水箱溫差循環泵；P4為恒溫水箱溫差循環泵；E1為上水電磁閥(自來水直接進集熱水箱補水)；E2為定溫上水電磁閥(自來水進恒溫水箱補水)；EH1為電加熱器；EH2為電伴熱帶(預留)。

圖1 新能源供能的智能化恒溫熱水系統結構圖

2.1 集熱器

太陽能集熱器的面積與用水量、光照強度、光照時間、系統效率和水箱水溫等因素有關。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，該系統的設計日均供水量為10噸，儲水箱終止溫度設置為60 ℃，其中，管道損失率系數為0.2，太陽能集熱效率系數為0.5，集熱器的面積計算公式如式(1)所示。

2.2 空氣能

當用戶側的日用水量超過15 噸或太陽能無法滿足用戶側熱水需求時，使用空氣能輔助加熱生產熱水。選用輸入功率 8.3 kW，輸出的熱量為38 kW的空氣能壓縮機補充供熱[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成。處理單元以單片機為核心，用于邏輯判斷，單片機根據溫度傳感器和水位傳感器采集到的信息進行邏輯判斷，輸出控制循環泵(啟動/停止)和電磁閥(打開/關閉)控制信號，同時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，人機交互界面設定的參數值傳遞給顯示單元進行處理和邏輯判斷；外圍接口單元由電源接口、信號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，信號采集接口采集水溫和水位傳感器的信號，繼電器輸出接口輸出處理單元的控制信號。

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間顯示、系統監視、設備狀態、歷史報警、功能選擇、系統登錄和參數設置。通過對系統中傳感器信號采集，實現對溫度、水位、電磁閥、水泵和管道的實時監控和顯示；當設備出現故障時，顯示界面彈出報警信息，提示運維人員排查處理，對于報警信息類型和處理結果，能夠自動生成報表進行存儲；手動模式可以人為介入進行補水和水溫控制，自動模式根據用戶設定的水位和水溫，經過程序自動邏輯判斷，需求系統最佳的節能運行狀態；通過區別用戶和管理員的權限，提高系統運行的安全性能。

圖2 恒溫控制器顯示功能示意圖

3.2 集熱循環及補水功能

集熱循環最大效率地利用太陽能，當集熱器水溫與集熱水箱中水溫溫差大于設定閾值(7 ℃)，集熱循環水泵(P1)打開，進行集熱循環；當集熱器中水溫與集熱水箱中水溫溫差不大于設定閾值 (3 ℃)，集熱循環水泵(P1)關閉，停止集熱循環。

當集熱水箱水位小于設定下限值閾值(30%)時，打開進水電磁閥進行補水；當集熱水箱水位大于設定閾值(50%)時，關閉進水電磁閥停止補水。

3.3 恒溫水箱循環及上水功能

恒溫水箱熱水循環是指當集熱水箱溫度(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定下限值(默認 45 ℃)時，啟動循環泵；當集熱水箱溫度(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定下限值(默認45 ℃)時，循環泵關閉。

自動上水是指當恒溫水箱水位 W2 低于下限水位(默認30%)時，啟動上水循環泵；當恒溫水箱水位 W2 達到水位設定上限值(默認 80%)時，關閉上水循環泵。

定時上水是指在設定的時段內，當恒溫水箱水位低于水位設定下限值(默認 30%)時，啟動上水循環泵 P3，當恒溫水箱水位達到水位設定上限值(默認 80%)時，關閉上水循環泵 P3。

手動上水是指手動即時啟動電磁閥，水位上升到一定位置后手動關閉電磁閥，或者水位上升到上限設定值(默認 80%)后，電磁閥自動關閉。

3.4 恒溫水箱加熱功能

自動加熱是指當恒溫水箱溫度(T4)小于溫度設定下限值(默認 45 ℃)時，自動啟動輔助加熱，達到恒溫水箱溫度設定閾值上限值后停止加熱。

定時加熱是指設定加熱時間點，當集熱水箱溫度(T2)低于恒溫水箱溫度(T4)設定閾值上限值時，啟動空氣能輔助加熱至恒溫水箱溫度設定閾值上限值后停止加熱。

手動加熱是指當恒溫水箱溫度(T4)低于恒溫水箱溫度設定閾值時，手動即時啟動輔助加熱，把水加熱到溫度設定閾值上限值后停止加熱。

3.5 安全防護功能

生活熱水系統還設有短路、過流、漏電等安全防護功能，當恒溫水箱水位低于15%時，禁止電加熱工作，水位大于 15%以上才可啟動電加熱相關功能。

4 結論

新能源供能智能化恒溫熱水系統的成功應用，與傳統的生活熱水系統的供熱方式相比具有以下優勢：

1) 效利用太陽能資源，實現節約能源和零污染。樓頂鋪設太陽能集熱器，以太陽能為主空氣能為輔的方式生產恒溫熱水，實現低碳減排和節約能源的目的；

2) 系統可視化操作，提高系統管理效率。系統提供可視化操作界面，恒溫控制器收集溫度傳感器的信號，經過程序設定的邏輯判斷，自動尋求系統的最佳節能運行狀態，設備出現異常或者溢水情況，能夠及時告警，運維人員只需記錄出水溫度和及時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熱水系統能夠有效地利用太陽能熱效率，實現數字智能化管理，全天候供給恒溫生活熱水，提高用戶滿意度。

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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，從事電力系統控制保護技術研究工作；E-mail: 543640028@qq.com

張喜玲(1971—)，女，工科學士，高級工程師，從事電力系統控制保護技術研究和標準研究工作；E-mail: zhangxiling@ketop.cn

蔣冠前(1978—)，男，通信作者，碩士研究生，工程師，從事電力系統控制保護技術研究和標準研究工作。E-mail: guanqianj@dlwg.net