楊前明，張亞軍，李 亭，李 凱

(山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590)

0 引 言

以太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源(地熱源)熱泵熱水機組與余熱回收等多熱源有機組合的熱水系統(tǒng)工程，由于其能效比高、組合靈活和易于安裝實現(xiàn)等優(yōu)點［1-2］，近年來在建筑物熱水與采暖工程、工業(yè)供熱等技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，受到了業(yè)內(nèi)同仁的高度關(guān)注與認可。由于系統(tǒng)熱負荷構(gòu)成的多樣性，如何綜合考慮系統(tǒng)供熱負荷與初投資、構(gòu)成熱源的性價比及系統(tǒng)運行成本、多種熱源調(diào)配與運行策略則又是一項技術(shù)組合與創(chuàng)新層面上的研究課題。

本研究在對大量國內(nèi)外最新技術(shù)文獻研究的基礎(chǔ)上，給出太陽能空氣源熱泵多熱源熱水系統(tǒng)(SAMW)可視化遠程監(jiān)測與控制(VRMC)的設(shè)計方案。

1 SAMW系統(tǒng)組成及其用能策略

1.1 系統(tǒng)組成

SAMW系統(tǒng)組成原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、集熱水箱、空氣源熱泵、電加熱裝置、余熱回收裝置、各類循環(huán)水泵、電磁閥、止流閥、管網(wǎng)及控制系統(tǒng)等部件，系統(tǒng)熱源由太陽能集熱系統(tǒng)(solar collecter water system，SCWS)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(air heat pump water system，AHPWS)、余熱回收系統(tǒng)(waste heat recovery system，WHRS)聯(lián)合提供，電加熱系統(tǒng)(electric heating emergency system，EHES)作為特種氣候條件下的應(yīng)急熱源。

圖1 SAMW系統(tǒng)組成示意圖

1.2 用能策略

SAMW系統(tǒng)的用能策略示意框圖如圖2所示。在SAMW系統(tǒng)熱源中，一般將污水余熱作為常態(tài)熱源，太陽能作為優(yōu)先使用熱源，熱泵熱源作為主流熱源，電加熱作為應(yīng)急熱源;系統(tǒng)熱負荷能力及其能效比取決于系統(tǒng)的多熱源聯(lián)合供熱策略。多熱源系統(tǒng)的用能要求為:以獲得系統(tǒng)最佳能效比為目標，優(yōu)先使用常態(tài)熱源(廢水余熱)、太陽能;根據(jù)季節(jié)與氣候條件及系統(tǒng)熱負荷供應(yīng)目標，設(shè)定溫度、時間等運行參數(shù)，合理調(diào)配使用系統(tǒng)熱源構(gòu)成及占比。

圖2 SAMW系統(tǒng)用能策略示意框圖

2 SAMW系統(tǒng)VRMC實現(xiàn)方法

2.1 VRMC系統(tǒng)組成

VRMC系統(tǒng)監(jiān)控原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由監(jiān)控計算機(包括服務(wù)器端、客戶端)、主控制器(可編程控制器PLC，也可為PCI數(shù)據(jù)采集與控制板卡等)、工業(yè)現(xiàn)場總線(如RS485、CAN總線)、電路器件(如繼電器、接觸器、斷路器等)、信號檢測元件(如溫度、液位、功率、光照等傳感器)以及Internet網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境等單元組成［3-4］。

圖3 VRMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

現(xiàn)場監(jiān)控計算機(服務(wù)器端)對主控制器運行狀態(tài)進行可視化顯示與過程控制，并通過Internet網(wǎng)進行Web發(fā)布，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，工作人員可通過監(jiān)控軟件進行系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)設(shè)置。主控制器通過溫度、液位、功率、光照度等檢測傳感器對系統(tǒng)運行與氣候參數(shù)進行實時檢測，并根據(jù)控制程序?qū)嵤ρh(huán)水泵、空氣源熱泵等執(zhí)行元件的啟?？刂?。

2.2 多熱源運行流程

SAMW系統(tǒng)的VRMC監(jiān)控流程如圖4所示，各子系統(tǒng)根據(jù)用能策略，能量品位及其性價比有機協(xié)同，提供系統(tǒng)熱負荷需求總量。

(1)SCWS子系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)供熱，當 T1＞T3(T1—集熱器出口水溫，T3—水箱實際水溫)，且 T1－T3≥△TP1on時，循環(huán)水泵 P1運行，直至T1－T3≤△TP1off時，循環(huán)水泵P1停止。如此反復(fù)進行，直至 T3≥Tset(Tset—水箱設(shè)定溫度)時停止。

圖4 VRMC系統(tǒng)控制流程

(2)AHPWS子系統(tǒng)?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)采用定時段、定溫度目標循環(huán)供熱。在某時刻t0，當T12≥THP(T12—環(huán)境氣溫，THP—熱泵經(jīng)濟運行溫度)且T3t0≤Tsett0(Tsett0—水箱設(shè)定在t0時刻水溫，T3t0—t0時刻水箱實際溫度)時，熱泵HP及其循環(huán)水泵P2運行，直至 T3≥Tset時停止［5-6］。

(3)WHRS子系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)主要由板式換熱器(或采用污水源熱泵)在自來水通過時進行余熱回收。

(4)EHES子系統(tǒng)。電加熱應(yīng)急系統(tǒng)擔負特種惡劣天氣下，人工應(yīng)急啟動提供系統(tǒng)需求熱負荷。

表1 SAMW系統(tǒng)中各熱源系統(tǒng)的運行流程

3 監(jiān)控軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)與功能

SAMW熱水系統(tǒng)采用CenturyStar開發(fā)其監(jiān)控軟件，軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。以數(shù)據(jù)庫為核心，向上表現(xiàn)為人機界面(HMI，包括報表、趨勢曲線、報警等)及Web發(fā)布、ODBC數(shù)據(jù)源等應(yīng)用，向下表現(xiàn)為現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動程序(I/O Driver);監(jiān)控軟件通過I/O Driver和工業(yè)現(xiàn)場總線與主控制器進行通信，把主控制器采集到的系統(tǒng)運行參數(shù)進行實時顯示和控制，并通過Internet網(wǎng)進行Web發(fā)布，實現(xiàn)遠程監(jiān)控;監(jiān)控軟件具有系統(tǒng)運行參數(shù)存儲、分析計算、繪制趨勢曲線、能源管理等功能。

圖5 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件開發(fā)過程

3.2.1 監(jiān)控界面

在CenturyStar開發(fā)系統(tǒng)的瀏覽器里面，本研究通過圖形控件、變量字典、系統(tǒng)配置等建立監(jiān)控界面。監(jiān)控界面［7-8］如圖6所示?？蓪崟r顯示系統(tǒng)的運行參數(shù)及對系統(tǒng)進行過程控制。

圖6 SAMW系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2.2 I/O 設(shè)備配置

該系統(tǒng)采用主控制器(如PLC、PCI板卡)完成底層數(shù)據(jù)采集和底層控制過程。主控制器通過工業(yè)現(xiàn)場總線(如 RS485、CAN總線)與監(jiān)控計算機通信。在CenturyStar開發(fā)系統(tǒng)的瀏覽器里面，通過“設(shè)備驅(qū)動”/“設(shè)備安裝向?qū)А?，按提示即可完成主控制器I/O驅(qū)動程序的配置。

3.2.3 遠程監(jiān)控

監(jiān)控軟件可通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的Web發(fā)布，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。具體分為監(jiān)控計算機連接上網(wǎng)硬件設(shè)置與監(jiān)控軟件Web發(fā)布服務(wù)器端和客戶端軟件設(shè)置兩部分。

4 系統(tǒng)運行測試

該系統(tǒng)在中國東部城市青島地區(qū)進行了運行測試，測試條件為:某年全年，年均氣溫12.5℃，補水水溫在3℃ ～17℃之間，系統(tǒng)每天需提供40℃熱水150 t。

測試結(jié)果如下:系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，供應(yīng)熱水及時合格，節(jié)能效果顯著，實現(xiàn)了對系統(tǒng)用能狀態(tài)的實時監(jiān)測和管理，提高了系統(tǒng)熱效率和技術(shù)文檔管理水平。

5 結(jié)束語

通過介紹SAMW系統(tǒng)的熱源結(jié)構(gòu)及用能策略，本研究以能源管理及最優(yōu)能效比為設(shè)計目標，優(yōu)化了各熱源子系統(tǒng)的控制流程，給出了實現(xiàn)其可視化遠程監(jiān)測與控制的一整套開發(fā)流程;以“PC+PLC“為控制核心，借助 CenturyStar平臺開發(fā)監(jiān)控軟件，構(gòu)建了SAMW系統(tǒng)的實驗示范工程。

系統(tǒng)實際測試結(jié)果表明，本研究提出的設(shè)計方法合理有效，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)用能管理，具有良好的熱性能與能效比。該系統(tǒng)為實現(xiàn)太陽能、空氣能、污水廢熱能等低品位能源的綜合高效利用提供了設(shè)計參考依據(jù)。

［1］楊前明，李心靈，李 亭，等.低品位多熱源聯(lián)供熱水系統(tǒng)的節(jié)能分析［J］.太陽能，2012(15):26-29.

［2］馮詩愚，胡 偉，高秀峰，等.熱泵輔助太陽能中央熱水系統(tǒng)年運行特性研究［J］.太陽能學(xué)報，2008，29(3):283-289.

［3］YANG Qian-ming，ZENG Qing-liang，LIU Ting-rui，et al.Research on On-line Monitoring of Performance Parameters for Solar-Assisted-Heat Pump Machine［C］//ACRA2006.Korea:［s.n.］，2006:739-742.

［4］YANG Qian-ming，ZENG Qing-liang.CAT and C system design and experimental analysis of a solar heat pump multifunction machine［C］//2007 8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments.Xi'an:［s.n.］，2007:2595-2600.

［5］袁家普.太陽能熱水系統(tǒng)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［6］孔祥強，李 瑛，楊前明.太陽能熱泵系統(tǒng)綜合實驗臺的研制［J］.實驗室研究與探索，2010，29(6):18-20.

［7］趙廷林，張運真，青春耀，等.洗浴中心節(jié)能系統(tǒng)模式［J］.可再生能源，2005，31(2):45-47.

［8］段朝霞，雷兵山.空氣源熱泵在學(xué)生浴室中的應(yīng)用［J］.建筑節(jié)能，2009(8):39-41.