1引言

太陽能熱水系統(tǒng)是目前最成熟的太陽能利用技術(shù)之一，具有運行成本低、無污染等優(yōu)點；但其利用效率受天氣狀況的影響，在陰雨天或者陽光較弱時難以滿足熱水需求，需要增加輔助熱源實現(xiàn)全天候運行?？諝庠礋岜靡原h(huán)境空氣作為低溫熱源，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高等優(yōu)點；以空氣源熱泵輔助的太陽能熱水機組，可以在太陽能不足的時候利用空氣能制熱水，實現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)的全天候穩(wěn)定運行。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組運行的關(guān)鍵是自動控制太陽能與空氣能之間的能量匹配，實現(xiàn)最大限度的太陽能熱利用。目前空氣源熱泵的啟動主要根據(jù)水箱內(nèi)的水溫，沒有綜合考慮光照、水箱水量、用水狀況等因素的影響，降低了太陽能的利用效率。本文以某高校洗浴中心的空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組為研究對象，綜合考慮外部光照條件、水箱溫度、用水時段等多種因素，設(shè)計空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)機組全天候自動運行，有效節(jié)約了能源。

2空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組工作原理

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的工作原理如圖1所示，該機組包括太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、水箱自動上水系統(tǒng)、用戶供水系統(tǒng)、防凍循環(huán)系統(tǒng)五個部分。

圖1  空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組工作原理

2.1太陽能集熱系統(tǒng)

太陽能集熱系統(tǒng)采用平板式集熱器吸收太陽能加熱工質(zhì)，當集熱器出口溫度T1與換熱器水溫T2的溫差達到系統(tǒng)設(shè)定的啟動溫差ΔT1時，即T1-T2≥ΔTs1啟動循環(huán)泵P1開始溫差循環(huán)；當二者溫差值降低到系統(tǒng)設(shè)定停止溫差ΔT2時，即T1-T2≤ΔT2，停止循環(huán)泵P1；通過太陽能集熱器與水箱之間的溫差循環(huán)，不斷將集熱器吸收的太陽能熱量傳遞到水箱，使水箱中的水溫度逐漸升高達到洗浴要求的溫度。

2.2空氣源熱泵系統(tǒng)

當陰雨天光照不足或晚上沒有光照時，單純依靠太陽能無法滿足熱水溫度(如45℃)要求，此時需要開啟輔助熱源空氣源熱泵進行加熱。空氣源熱泵采用的是定溫度循環(huán)系統(tǒng)，當水溫T2低于設(shè)定溫度(如45℃)時，根據(jù)光照強度、水箱水位等多種條件自動啟動空氣源熱泵對水箱中的水加熱，當水溫T2達到設(shè)定溫度(如60℃)后，空氣源熱泵系統(tǒng)運行停止。

2.3水箱自動上水系統(tǒng)

熱水機組的自動上水系統(tǒng)主要根據(jù)太陽輻射強度和用戶用水情況自動進行：1)當處于用水高峰的時間段，且太陽能輻射強度低于某一值時，此時應(yīng)用空氣源熱泵加熱，保持水箱的水位在滿水位的40%~60%，即水位低于40%時自動上水，水位達到60%時停止上水；2)太陽能輻射強度大師，保持水箱的水位在70%~100%，在該時間段充分利用太陽能加熱熱水。

2.4用戶供水系統(tǒng)

用戶供水系統(tǒng)是進行變頻恒壓供水，根據(jù)用戶的用水量自動進行調(diào)整，保證熱水使用時是恒壓供水。

2.5防凍循環(huán)系統(tǒng)

室外管道(集熱水箱和集熱器之間)在寒冷的冬天可能被凍，因此必須有防凍循環(huán)功能；當集熱器溫度(檢測傳感器測溫)T5≤5℃時，啟動循環(huán)泵P2和P3，進行空氣源熱泵系統(tǒng)和用戶供水系統(tǒng)的防凍循環(huán)，防止管路結(jié)凍。

3熱水機組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統(tǒng)以臺達PLC為核心，主要實現(xiàn)溫度、水位、壓力、功率等信息的實時監(jiān)測與控制，PLC控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。圖中，T為溫度傳感器Pt100，其中T1檢測太陽能集熱器出口溫度，T2檢測水箱的水溫，T3檢測管道溫度；h為投入式靜壓水位傳感器，檢測水箱的水位高度；Q為流量傳感器，檢測用水的流量；P1與P2為功率變送器，分別檢測太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵熱水系統(tǒng)消耗的功率。溫度信號采用DVP04Pt模塊采集，對應(yīng)檢測范圍為0~600℃，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號為0~6000。水位、流量等傳感器輸出標準信號4~20mA，采用DVP04AD模塊采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號為0~8000?？刂葡到y(tǒng)的輸出采用繼電器輸出方式，根據(jù)各傳感信號控制循環(huán)泵1、泵2、熱泵以及上水電動閥的啟停。

圖2  PLC控制系統(tǒng)的原理圖

3.2熱水機組控制策略研究

(1)溫度控制策略

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的溫度控制是通過集熱器與水箱的溫差循環(huán)，以及空氣源熱泵的輔助加熱，實現(xiàn)水箱的水溫大于某設(shè)定溫度(如45℃)。即根據(jù)ΔT1控制循環(huán)泵1通過太陽能加熱，根據(jù)T2?？刂撇呗詧D如圖3所示。

圖3  溫度控制策略

(2)水位控制策略

熱水機組的自動上水根據(jù)時間和太陽輻射強度分為兩種情況：1)處于用水高峰的時間段(16:00~20:00)時，水箱的水位保持在30%~60%，即水位低于30%時自動上水，水位達到60%時停止上水；2)其他時間段水箱的水位保持在60%~100%。

3.3觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計

觸摸屏選用DVP-B07S411，與PLC通過串行通訊接口RS485進行通訊，PLC與觸摸屏之間的傳輸速率為19.2Kbps。系統(tǒng)的被控量有水箱的液位、壓力、溫度，管道溫度，光照強度，功率等。所有的被控量都通過觸摸屏進行實時監(jiān)控。監(jiān)控主頁面如圖4所示

圖4  主控界面

主控界面還包括溫度顯示畫面、液位顯示畫面、報警畫面、PLC監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置頁面、HMI設(shè)置、屏幕保護程序等實時監(jiān)控更改系統(tǒng)的運行情況。

4結(jié)論

太陽能空氣源熱泵熱水機組是一種新型節(jié)能產(chǎn)品，以太陽能和環(huán)境空氣作為熱源，可以取之不盡，用之不竭，是一種可替代鍋爐的供暖設(shè)備和熱水裝置。試驗分析了太陽能空氣源熱泵熱水機組的工作原理，應(yīng)用PLC設(shè)計了該臺熱水機組的控制系統(tǒng)。經(jīng)驗證該系統(tǒng)實現(xiàn)了信號的自動采集與處理、補水及溫差的自動循環(huán)，實現(xiàn)了熱水機組的全自動運行，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，對其他控制系統(tǒng)的設(shè)計也具有一定的參考價值。