高 翔，徐毅茹

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著能源供需矛盾的日益尖銳，太陽(yáng)能熱水器的用戶會(huì)大大增加[1]。與其他熱水系統(tǒng)相比具有節(jié)約能源、無(wú)污染，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)使用方便安全且經(jīng)濟(jì)效益明顯[2]，但在使用中還存在一些局限性，主要有以下五點(diǎn):

(1)在冬季或陰雨天氣，陽(yáng)光不充足使太陽(yáng)能熱水器的水溫偏低;

(2)國(guó)內(nèi)普遍使用的真空管太陽(yáng)能熱水器是用水作為循環(huán)介質(zhì)，當(dāng)冬季夜晚溫度較低時(shí)，存在結(jié)凍的問(wèn)題;

(3)隨著生活水平的提高，在大戶型和別墅型的住宅中有多個(gè)用水點(diǎn)，輸送管道過(guò)長(zhǎng)，則需先排出冷水，難以實(shí)現(xiàn)即開即熱;

(4)普通太陽(yáng)能熱水器采用電輔加熱，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

(5)城市中高層住宅越來(lái)越多，若使用真空管熱水器放置在屋頂，需要設(shè)置許多管道[3－5]。

目前在城市中，國(guó)內(nèi)外趨向于使用平板式太陽(yáng)能熱水器解決上述中(2)和(5)的問(wèn)題，而回水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)即開即熱。針對(duì)上述五點(diǎn)，本文將平板式太陽(yáng)能熱水器和回水系統(tǒng)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出一種新型的家用集成熱水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)日常使用熱水更加便利的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)能熱水器的選型

市場(chǎng)上的太陽(yáng)能熱水器主要有真空管式和平板式兩種。與真空管式相比，平板式具有面積效率和耐用性均較高、價(jià)格低廉，可與建筑集成以及大面積使用、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，其次集熱板采用的循環(huán)介質(zhì)是防凍液(冷卻液)，可解決冬天結(jié)凍的問(wèn)題，因此選用平板式太陽(yáng)能熱水器。

1.2 輔助熱源的選型

家用太陽(yáng)能熱水器一般采用的輔助熱源——電加熱，雖然具有壽命較長(zhǎng)、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是使用前需預(yù)熱和有限的連續(xù)使用熱水量。燃?xì)鉄崴骶哂袩嵝矢?、加熱速度快、可連續(xù)使用的優(yōu)點(diǎn)，其不足之處在于需要先排出管道里的冷水。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需在短時(shí)間內(nèi)使管道中充滿熱水，然而電熱水器的加熱速度無(wú)法與燃?xì)鉄崴飨啾?，而且有研究表明，輔助熱源對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的節(jié)能性和環(huán)境效益有較大的影響，應(yīng)盡量使用燃?xì)鈁6]，因此選用燃?xì)鉄崴鳌?/p>

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大戶型和別墅型的住宅有多個(gè)熱水用點(diǎn)。在使用時(shí)，需要先排放出熱水管道中的冷水，導(dǎo)致兩個(gè)缺點(diǎn):(1)存在水資源浪費(fèi)的問(wèn)題;(2)無(wú)法即開即熱。因此需在平板式太陽(yáng)能熱水器和燃?xì)鉄崴鞯幕A(chǔ)上加入回水循環(huán)系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于，打開水龍頭就能直接使用熱水，無(wú)需排除管道里面的冷水，同時(shí)填補(bǔ)了燃?xì)鉄崴鞯娜秉c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)即開即熱和節(jié)約水資源。整個(gè)系統(tǒng)采用PLC智能控制，無(wú)需過(guò)多的人為操作，使用簡(jiǎn)單方便。

2 回水加熱循環(huán)系統(tǒng)

回水加熱循環(huán)系統(tǒng)主要由燃?xì)鉄崴?、回水循環(huán)泵、水流開關(guān)、單向閥和溫度探頭。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 回水加熱循環(huán)系統(tǒng)原理圖

此系統(tǒng)在啟動(dòng)之后，回水循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)燃?xì)鉄崴骷訜崂渌?，讓整個(gè)回路中充滿熱水，則可直接出熱水。當(dāng)溫度探頭探測(cè)到溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則回水循環(huán)泵停止工作，進(jìn)入保溫狀態(tài)。反之，在保溫時(shí)間內(nèi)，當(dāng)溫度探頭探測(cè)的溫度低于設(shè)定值時(shí)，再次啟動(dòng)回水循環(huán)泵進(jìn)行加熱。

3 家用集成熱水系統(tǒng)

家用集成熱水系統(tǒng)是將平板式太陽(yáng)能熱水器與回水加熱循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，其主要由板式太陽(yáng)能熱水器、回水循環(huán)泵、燃?xì)鉄崴?、水流開關(guān)、2個(gè)電磁閥、單向閥、2個(gè)溫度探頭等組成，該系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 家用集成熱水系統(tǒng)原理圖

陽(yáng)光充足時(shí)使用太陽(yáng)能熱水器，儲(chǔ)熱水箱的溫度能達(dá)到設(shè)定溫度，可以直接使用。即使在陽(yáng)光不足的冬季，也能將儲(chǔ)熱水箱的溫度提高十幾攝氏度至二十幾攝氏度。將這部分能量利用起來(lái)，可節(jié)省燃?xì)庀?，相?duì)于單純的回水加熱循環(huán)系統(tǒng)更加節(jié)能。其工作原理從以下三種情形進(jìn)行分析。

3.1 無(wú)電的情況下

在無(wú)電的情況下，因燃?xì)膺M(jìn)水口閥設(shè)置為常閉，太陽(yáng)能旁通閥設(shè)置為常開，則能正常使用平板式太陽(yáng)能熱水器，回水加熱循環(huán)系統(tǒng)不工作。

3.2 儲(chǔ)熱水箱出水口溫度達(dá)到的情況下

當(dāng)儲(chǔ)熱水箱出水口溫度達(dá)到設(shè)定溫度(一般設(shè)為45℃左右)，則無(wú)需經(jīng)過(guò)燃?xì)鉄崴骷訜?，直接可以回水循環(huán)和使用熱水，此時(shí)燃?xì)膺M(jìn)水口閥和太陽(yáng)能旁通閥都處于斷電狀態(tài)。此為家用集成熱水系統(tǒng)最理想的狀態(tài)。

3.3 儲(chǔ)熱水箱出水口溫度未達(dá)到的情況下

當(dāng)儲(chǔ)熱水箱出水口溫度未達(dá)到設(shè)定溫度，在用水的過(guò)程中，則需要經(jīng)過(guò)燃?xì)鉄崴鬏o助加熱之后再進(jìn)行回水循環(huán)和使用，此時(shí)需控制燃?xì)膺M(jìn)水口閥和太陽(yáng)能旁通閥均通電，則燃?xì)膺M(jìn)水口閥打開，太陽(yáng)能旁通閥關(guān)閉。當(dāng)回水溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，停止加熱。

4 PLC集中控制系統(tǒng)

家用集成熱水系統(tǒng)采用PLC控制，選用西門子LOGO!230RC。此控制系統(tǒng)共有3個(gè)輸入信號(hào)和3個(gè)輸出信號(hào)。輸入信號(hào)分為儲(chǔ)熱水箱出水口溫度信號(hào)、回水溫度信號(hào)和水流開關(guān)信號(hào)。輸出信號(hào)分別為回水循環(huán)泵電機(jī)、燃?xì)膺M(jìn)水口電磁閥和太陽(yáng)能旁通電磁閥。整個(gè)程序可分為系統(tǒng)啟動(dòng)、防止水流波動(dòng)、防止頻繁啟動(dòng)、自動(dòng)保溫啟動(dòng)和保溫控制5個(gè)部分進(jìn)行分析。根據(jù)家用集成熱水系統(tǒng)的工作原理，PLC控制流程圖如圖3所示。

4.1 系統(tǒng)啟動(dòng)

整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)有水流開關(guān)信號(hào)和時(shí)段控制信號(hào):(1)水流開關(guān)啟動(dòng)是當(dāng)用戶需要用水之前，先打開熱水龍頭產(chǎn)生水流來(lái)啟動(dòng)整個(gè)回水系統(tǒng);(2)時(shí)段啟動(dòng)是用戶根據(jù)自己的用水時(shí)間，設(shè)定系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間。

4.2 防止水流波動(dòng)

因采用水流開關(guān)作為啟動(dòng)信號(hào)，為防止回路中有水流波動(dòng)而產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，需要在水流開關(guān)信號(hào)后面加入延時(shí)控制，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。

圖3 PLC控制流程圖

4.3 防止頻繁啟動(dòng)

為了防止頻繁啟動(dòng)，將以回水循環(huán)泵信號(hào)為輸入的關(guān)斷延時(shí)定時(shí)器與回水循環(huán)泵信號(hào)分別連接到異或門的兩個(gè)輸入，當(dāng)燃燒時(shí)間達(dá)到，回水循環(huán)泵停止工作之后異或門的輸出就變?yōu)?，再將異或門的輸出與非門連接，最后將非門的輸出連接到回水循環(huán)泵工作條件的與門上。當(dāng)關(guān)斷延時(shí)定時(shí)器定的時(shí)間達(dá)到后，回水循環(huán)泵才能重新工作。這樣能保護(hù)回水循環(huán)泵電機(jī)的作用，延長(zhǎng)使用壽命。

4.4 自動(dòng)保溫啟動(dòng)

啟動(dòng)之后，即使在一段時(shí)間內(nèi)不用水，整個(gè)回水系統(tǒng)仍正常運(yùn)行。在防止頻繁啟動(dòng)的時(shí)間結(jié)束之后，利用與防止頻繁啟動(dòng)類似的程序使其自動(dòng)啟動(dòng)回水循環(huán)，此時(shí)回水循環(huán)泵重新開始工作，進(jìn)行回水，保證管道中仍為熱水，達(dá)到保溫的效果。

4.5 保溫控制

在啟動(dòng)后，利用接通延時(shí)定時(shí)器進(jìn)行控制，其作用在于如果水流開關(guān)在設(shè)置的保溫時(shí)間(約為45分鐘)內(nèi)檢測(cè)不到用水，則回水系統(tǒng)自動(dòng)斷電。在保溫時(shí)間內(nèi)，若回水系統(tǒng)內(nèi)的回水溫度低于設(shè)定的溫度值，則產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，回水系統(tǒng)將通電運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

家用集成熱水系統(tǒng)充分利用太陽(yáng)能，降低了人們?cè)谌粘Ｉ钪械乃?、電、氣的消耗，符合建立“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會(huì)的要求。雖然初期投資較高，但是運(yùn)行費(fèi)用低，且可以適用于城市高層住宅。如果房屋還有供暖的需求，還可以在該系統(tǒng)中加入地暖系統(tǒng)，無(wú)需增加熱源。

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