賴曉勇+姜周曙+黃國(guó)輝+王劍+阮志鵬

摘 ?要： 針對(duì)現(xiàn)有太陽(yáng)能熱水控制器存在的模式單一的問(wèn)題，提出了多模式熱水控制器的設(shè)計(jì)方案。預(yù)設(shè)的20種工程模式適用于60%左右的太陽(yáng)能熱水工程，可以根據(jù)工程類(lèi)型進(jìn)行選擇下載安裝相應(yīng)的程序。為了使太陽(yáng)能熱水工程更節(jié)能，采取了多時(shí)間段多策略的控制策略，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)性化的最佳控制策略選擇和控制參數(shù)最優(yōu)設(shè)置。介紹了多模式多策略控制器的結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)，并且對(duì)控制器方案進(jìn)行了合理性驗(yàn)證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析。該控制器已應(yīng)用于多個(gè)太陽(yáng)能熱水工程中，應(yīng)用結(jié)果表明：控制器運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用場(chǎng)合廣，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)異，極大地提高太陽(yáng)能熱水控制器的適應(yīng)性和太陽(yáng)能熱水工程的節(jié)能減排效率。

關(guān)鍵字： 太陽(yáng)能; 控制策略; 多模式熱水控制器; 技術(shù)指標(biāo)分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34; TP24 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2014）24?0150?04

Design of multi?mode and multi?strategy solar water heating controller

LAI Xiao?yong， JIANG Zhou?shu， HUANG Guo?hui， WANG Jian， RUAN Zhi?peng

（Automation College， Hangzhou DianZi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： To solve the problem of singular mode of available solar water heating controller， a design scheme of multi?mode solar water heating controller is proposed in this paper. The 20 pre?set modes applies to about 60% solar water heating projects. The relative program can be downloaded and installed according to the project type. In order to save more energy， the solar water heating project adopts the multi?period and multi?strategy control policy， which can select the optimal control policy and set the personalized optimum control parameter based on the real condition. The structure， function and features of the multi?mode and multi?strategy controller are introduced in this paper. The rationality of the scheme was verified and the specifications of the design were analyzed. This controller has already been applied to several solar water heating projects. The results indicate that the controller is of great stability， extensive application occasion， excellent techno?economic indicator， which greatly improves the adaptability of the solar water heating controller and the energy saving efficiency of projects.

Keywords： solar energy; control strategy; multi?mode water heating controller; specification analysis

0 ?引 ?言

太陽(yáng)能作為無(wú)污染的綠色能源，是實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的有效手段。隨著政府對(duì)節(jié)能減排重視程度地不斷提高，以及鼓勵(lì)太陽(yáng)能熱利用發(fā)展的政策相繼出臺(tái)，使得太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的工程市場(chǎng)得到迅速發(fā)展[1?2]。

雖然我國(guó)已成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，但其發(fā)展主要是在集熱板的材料和結(jié)構(gòu)上，與太陽(yáng)能熱水器配套的控制器卻一直處于初步的研究和開(kāi)發(fā)階段[3?6]。太陽(yáng)能控制器承擔(dān)了太陽(yáng)能熱水工程運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的全部監(jiān)控信息，它的功能和質(zhì)量直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)行性能，是太陽(yáng)能熱水工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的核心部件。由于用戶需求模式復(fù)雜，且太陽(yáng)能受季節(jié)和天氣影響較大，因此在保證熱水供應(yīng)充足的基礎(chǔ)上，如何充分利用太陽(yáng)能以減少輔助能源的消耗，這對(duì)控制系統(tǒng)提出較高的要求?，F(xiàn)有太陽(yáng)能熱水控制器大多采用了單一固定的電路板，對(duì)于不同用戶需求采用不同程序[7?9]。不同類(lèi)型的工程程序不同，不但質(zhì)量難以保證，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，而且控制水平參差不齊，節(jié)能效率不高，故無(wú)法滿足用戶的個(gè)性化設(shè)置及太陽(yáng)能熱水工程發(fā)展的需求。因此，對(duì)太陽(yáng)能熱水工程進(jìn)行更精確地監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)控制器的標(biāo)準(zhǔn)化已成為了太陽(yáng)能熱利用行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

本文提出了多模式多策略觸摸型控制器的設(shè)計(jì)方案，用戶可以通過(guò)控制器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)工程的具體情況配置相應(yīng)的工程模式，選擇合適的控制策略及控制參數(shù)對(duì)熱水系統(tǒng)中的泵、閥門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，用戶可在控制器中手動(dòng)對(duì)熱水系統(tǒng)中的泵、閥門(mén)進(jìn)行強(qiáng)制開(kāi)啟/停止操作。

1 ?控制器結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)備由模擬量采集模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊和類(lèi)型多樣的控制器構(gòu)成。采用了總線結(jié)構(gòu)，模塊之間通過(guò)RS 485連接，均采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。不管工程大小，都可以通過(guò)增加模擬量采集模塊和開(kāi)關(guān)量控制模塊的方法進(jìn)行任意擴(kuò)展。同時(shí)采用了通用模塊，不管工程大小、類(lèi)型差別，本模擬量模塊和開(kāi)關(guān)量模塊的硬件結(jié)構(gòu)和程序都是統(tǒng)一的。這給生產(chǎn)、管理、維修等方面都帶來(lái)便利。

觸摸屏控制器是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的核心儀表，不但操作方便，色彩逼真，可以完成圖表、動(dòng)畫(huà)、文字多視角信息的顯示，而且用戶可以根據(jù)自己的需要從控制器中提取大量的歷史數(shù)據(jù)與報(bào)警信息?？刂破魍ㄟ^(guò)讀取由模擬量采集器采集到的溫度值和液位值，根據(jù)預(yù)定的控制邏輯產(chǎn)生相應(yīng)地控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給開(kāi)關(guān)量輸出板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。

模擬量采集模塊能夠?qū)崟r(shí)精確地采集到各溫度值、液位值，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)娇刂破髦?，在觸摸屏中進(jìn)行顯示、處理與分析。

開(kāi)關(guān)量控制模塊不僅能夠通過(guò)自身指示燈的亮暗表示當(dāng)前狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)各種泵閥的啟停狀態(tài)，還可以根據(jù)觸摸型控制器發(fā)出的控制信息來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉繼電器，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停。同時(shí)其帶有的4路開(kāi)關(guān)量輸入模塊可以獲取系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量，如液位開(kāi)關(guān)等。

2 ?控制器功能設(shè)計(jì)

控制器的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，本控制器的控制功能豐富，可以滿足用戶的個(gè)性化設(shè)置。在控制邏輯中，強(qiáng)制的級(jí)別是最高的，其次是故障，只有在上述兩者不出現(xiàn)的情況下并且滿足相應(yīng)的條件，系統(tǒng)才會(huì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能;在“實(shí)時(shí)曲線”和“歷史查詢”界面中，用戶可以實(shí)時(shí)查看和分析相應(yīng)的運(yùn)行信息曲線圖和表格數(shù)據(jù);在“強(qiáng)制開(kāi)關(guān)”界面中，用戶可以根據(jù)需要來(lái)控制集熱循環(huán)泵、上水閥、管道循環(huán)、電加熱、熱泵加熱、伴熱帶的啟停，強(qiáng)制開(kāi)關(guān)的優(yōu)先級(jí)是最高的，即使出現(xiàn)故障，用戶也可以根據(jù)自己的意愿來(lái)控制相應(yīng)器件的開(kāi)啟和關(guān)閉;在“常用設(shè)置”界面中，用戶可以對(duì)集熱溫差循環(huán)等一些常用的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;在“其他設(shè)置”界面中，用戶可以對(duì)其他參數(shù)，傳感器的選擇等選項(xiàng)進(jìn)行一些更深層次的設(shè)置，從而使控制器處于更優(yōu)異的運(yùn)行狀態(tài)。

3 ?控制邏輯優(yōu)化

（1） 為了提高控制器的適應(yīng)性，提出了帶有多種熱水工程的控制策略的方案。樓宇結(jié)構(gòu)種類(lèi)眾多、用戶需求更是千差萬(wàn)別，但總體上有一定的規(guī)律可循。本控制器采用通用觸摸屏作為操作控制器，并將現(xiàn)有常見(jiàn)的近20種不同類(lèi)型熱水工程控制策略進(jìn)行歸納整理，用戶可根據(jù)自己的工程類(lèi)型進(jìn)行選擇，下載安裝相應(yīng)的程序。

（2） 本控制器增加了智能設(shè)置模式，用戶只需選擇使用場(chǎng)合和最基本的參數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用最佳匹配，自動(dòng)選擇默認(rèn)參數(shù)，以減少用戶進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置。在該模式中，又可分為定時(shí)段供水和24 h供水兩種應(yīng)用場(chǎng)景。其中24 h供水，用戶只需設(shè)置水箱液位值、水箱溫度值、定時(shí)刻定量補(bǔ)水參數(shù)，適用于大賓館等場(chǎng)所使用。定時(shí)段供水，用戶只需設(shè)置供水時(shí)間段以及相應(yīng)的水箱溫度與水箱液位等參數(shù)，適用于學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所的使用。

（3） 本控制器創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了多時(shí)段+多策略+多參數(shù)設(shè)定的專家設(shè)置界面，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)性化的最佳控制策略選擇和控制參數(shù)最優(yōu)設(shè)置，確保系統(tǒng)始終保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。而市場(chǎng)現(xiàn)有控制器大多功能單一，可設(shè)置參數(shù)十分有限，也無(wú)法進(jìn)行控制策略選擇，極大限制了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的有效控制和能源利用，這也是現(xiàn)有太陽(yáng)能系統(tǒng)實(shí)際不節(jié)能的主要原因之一。

例如，在水箱溫度和液位的控制界面中，共設(shè)定了6個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段都可選3個(gè)功能，分別為溫控上水，恒水位，恒溫。其中溫控上水和恒水位為二選一，選擇溫控上水時(shí)，當(dāng)水箱溫度大于設(shè)定的上水閥啟動(dòng)溫度，此時(shí)上水閥將自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)水箱溫度小于設(shè)定的上水閥停止溫度，此時(shí)上水閥將自動(dòng)關(guān)閉。選擇恒水位時(shí)，當(dāng)水箱液位低于設(shè)定的上水閥啟動(dòng)液位，此時(shí)上水閥將自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)水箱液位高于設(shè)定的上水閥停止液位，此時(shí)上水閥將自關(guān)閉。對(duì)于恒溫功能，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。如果選擇恒溫功能，則用戶可以根據(jù)自己的需求來(lái)設(shè)定輔助能源啟動(dòng)溫度和輔助能源的停止溫度。當(dāng)水箱溫度小于輔助能源啟動(dòng)溫度時(shí)，輔助能源就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，直至到達(dá)輔助能源停止溫度。如果不選恒溫功能，輔助能源將不會(huì)啟動(dòng)。

而現(xiàn)有控制器通常一次只能使用一種控制模式，若要調(diào)整設(shè)置，必須手動(dòng)重新設(shè)置，不但麻煩，有時(shí)也無(wú)法達(dá)到節(jié)能效果。例如：將水箱設(shè)定為55 ℃的滿水位恒溫方式，則該控制器只能按此設(shè)定的工作。當(dāng)早上太陽(yáng)沒(méi)出來(lái)之前，這樣設(shè)置勢(shì)必會(huì)啟動(dòng)輔助能源;等到中午太陽(yáng)出來(lái)時(shí)水早就加熱到55 ℃，而這時(shí)太陽(yáng)能又不能繼續(xù)向水箱提供熱能。而本文控制器可以進(jìn)行多時(shí)段多控制策略設(shè)置，完全可以避免這些問(wèn)題。例如可以根據(jù)早上用水量設(shè)置一個(gè)合理的水位和溫度，讓輔助能源進(jìn)行加熱;9：00點(diǎn)鐘后設(shè)置為定溫放水模式，可有效利用太陽(yáng)能;太陽(yáng)下山后又可設(shè)置為恒溫恒水位工作方式;晚上10：00點(diǎn)后停止加水加熱，將水箱的水盡可能用完。此外，我們監(jiān)控器還具有定時(shí)段供水、定時(shí)段回水等功能，這些功能都可以有效節(jié)約能源，充分利用太陽(yáng)能，提高能源利用率等效果。

4 ?測(cè)試結(jié)果與分析

本文選用單水箱雙輔助能源有回水的單組集熱系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象。該系統(tǒng)是常見(jiàn)的太陽(yáng)能熱水工程，將集熱器儲(chǔ)熱水箱與用戶供熱水箱合為一個(gè)水箱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的特點(diǎn)，常用于小型熱水系統(tǒng)。測(cè)試對(duì)象2013年09月在江蘇無(wú)錫投入使用?，F(xiàn)以2014年03月27日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。圖2、圖3分別是恒溫水箱與用戶供水溫度比較曲線圖和實(shí)際用水需求與恒溫水箱液位比較曲線圖。

圖2比較了恒溫水箱與用戶供水溫度的關(guān)系。對(duì)象系統(tǒng)用水時(shí)間段為5：00～8：00點(diǎn)、16：00～21：00點(diǎn)，其余時(shí)間基本不用熱水。由圖2可以看出，只有在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)用戶供水管道溫度接近恒溫水箱溫度，其余時(shí)間用戶供水管道溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于恒溫水箱溫度。這一現(xiàn)象說(shuō)明定時(shí)段回水功能可以實(shí)現(xiàn)在用戶不用水的時(shí)間段內(nèi)不進(jìn)行管道循環(huán)，從而大幅度的減少管道熱量損失。

圖3比較了實(shí)際用水需求和恒溫水箱真實(shí)水位的變化過(guò)程。對(duì)象系統(tǒng)要求在5：00點(diǎn)前水箱水位為50%，16：00點(diǎn)前水箱水位為100%。由圖3可以看出水箱實(shí)際水位在一天中不同時(shí)間段跨度比較大，在3：00點(diǎn)水位已經(jīng)上升到下一用水時(shí)間段的用水需求，此時(shí)輔助能源只需加熱水箱50%的水。在9：00～14：00點(diǎn)水位策略選為定溫放水，充分利用太陽(yáng)能。14：00～16：00點(diǎn)水位策略選為恒水位，滿足用戶16：00點(diǎn)前水箱水位為100%的用水需求。圖3說(shuō)明控制器多時(shí)段多策略對(duì)水箱水位進(jìn)行控制起到明顯效果，能夠最大限度的減少輔助能源的使用。因?yàn)槠胀刂破骺刂频膯嗡湎到y(tǒng)為了保證用戶的用水質(zhì)量，水箱水位需要一直保持在較高水位，導(dǎo)致輔助能源的投入時(shí)間增加。而本控制器對(duì)水位的控制非常靈活，可以滿足不同用水時(shí)間段的用水量需求，最大限度地降低輔助能源的投入。

為了對(duì)控制器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析而專門(mén)設(shè)計(jì)了一套能量計(jì)量軟件，由能量計(jì)量軟件完成對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能量計(jì)算，該軟件數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。

現(xiàn)以2014年03月20日—26日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，該周天氣變化不是很大。表1為以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表1 以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表1中可以看到，在一周天氣變化量不大，用戶用水量相差不大的情況下，利用本控制器的太陽(yáng)能熱水工程的能效比大約在4.00左右，常規(guī)能源替代量在1.40 t左右，CO2減排量在3.35 t左右。說(shuō)明控制器設(shè)計(jì)方案合理，節(jié)能減排效果明顯。

為了進(jìn)一步測(cè)試控制器的性能，現(xiàn)將本控制與現(xiàn)有市面上銷(xiāo)售良好的一款技術(shù)控制器進(jìn)行比較。為便于分析與比較，選擇太陽(yáng)輻射總量基本相同天氣，并控制每天的熱水用量基本一致，取一周的測(cè)試結(jié)果的平均值進(jìn)行分析。不同控制器的熱水系統(tǒng)能效比、單位熱水能耗的柱狀圖如圖5所示。

從圖5的比較可以得到本控制器的能效比更高，單位熱水能耗更低。說(shuō)明本控制器的節(jié)能效果更優(yōu)異，具有更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

控制器軟件設(shè)計(jì)充分考慮了當(dāng)前熱水控制器的功能不完善、節(jié)能效率不高等現(xiàn)狀，對(duì)控制器的運(yùn)行模式、用戶用水時(shí)段、水溫控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究。創(chuàng)新性地提出了一些控制理念，開(kāi)發(fā)了一套多模式多策略的控制器。至今，該控制器在太陽(yáng)能集熱工程系統(tǒng)上已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)半年。通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行觀察分析表明：該控制器控制策略符合太陽(yáng)能熱水工程相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，控制器與模擬量采集板、開(kāi)關(guān)量輸出板RS485本地通信穩(wěn)定，與本地監(jiān)控軟件通信可靠。該控制器無(wú)論在功能上、性能上，還是在外觀和可操作上都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

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圖5 不同控制器能效比較圖

參考文獻(xiàn)

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圖2比較了恒溫水箱與用戶供水溫度的關(guān)系。對(duì)象系統(tǒng)用水時(shí)間段為5：00～8：00點(diǎn)、16：00～21：00點(diǎn)，其余時(shí)間基本不用熱水。由圖2可以看出，只有在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)用戶供水管道溫度接近恒溫水箱溫度，其余時(shí)間用戶供水管道溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于恒溫水箱溫度。這一現(xiàn)象說(shuō)明定時(shí)段回水功能可以實(shí)現(xiàn)在用戶不用水的時(shí)間段內(nèi)不進(jìn)行管道循環(huán)，從而大幅度的減少管道熱量損失。

圖3比較了實(shí)際用水需求和恒溫水箱真實(shí)水位的變化過(guò)程。對(duì)象系統(tǒng)要求在5：00點(diǎn)前水箱水位為50%，16：00點(diǎn)前水箱水位為100%。由圖3可以看出水箱實(shí)際水位在一天中不同時(shí)間段跨度比較大，在3：00點(diǎn)水位已經(jīng)上升到下一用水時(shí)間段的用水需求，此時(shí)輔助能源只需加熱水箱50%的水。在9：00～14：00點(diǎn)水位策略選為定溫放水，充分利用太陽(yáng)能。14：00～16：00點(diǎn)水位策略選為恒水位，滿足用戶16：00點(diǎn)前水箱水位為100%的用水需求。圖3說(shuō)明控制器多時(shí)段多策略對(duì)水箱水位進(jìn)行控制起到明顯效果，能夠最大限度的減少輔助能源的使用。因?yàn)槠胀刂破骺刂频膯嗡湎到y(tǒng)為了保證用戶的用水質(zhì)量，水箱水位需要一直保持在較高水位，導(dǎo)致輔助能源的投入時(shí)間增加。而本控制器對(duì)水位的控制非常靈活，可以滿足不同用水時(shí)間段的用水量需求，最大限度地降低輔助能源的投入。

為了對(duì)控制器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析而專門(mén)設(shè)計(jì)了一套能量計(jì)量軟件，由能量計(jì)量軟件完成對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能量計(jì)算，該軟件數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。

現(xiàn)以2014年03月20日—26日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，該周天氣變化不是很大。表1為以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表1 以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表1中可以看到，在一周天氣變化量不大，用戶用水量相差不大的情況下，利用本控制器的太陽(yáng)能熱水工程的能效比大約在4.00左右，常規(guī)能源替代量在1.40 t左右，CO2減排量在3.35 t左右。說(shuō)明控制器設(shè)計(jì)方案合理，節(jié)能減排效果明顯。

為了進(jìn)一步測(cè)試控制器的性能，現(xiàn)將本控制與現(xiàn)有市面上銷(xiāo)售良好的一款技術(shù)控制器進(jìn)行比較。為便于分析與比較，選擇太陽(yáng)輻射總量基本相同天氣，并控制每天的熱水用量基本一致，取一周的測(cè)試結(jié)果的平均值進(jìn)行分析。不同控制器的熱水系統(tǒng)能效比、單位熱水能耗的柱狀圖如圖5所示。

從圖5的比較可以得到本控制器的能效比更高，單位熱水能耗更低。說(shuō)明本控制器的節(jié)能效果更優(yōu)異，具有更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

控制器軟件設(shè)計(jì)充分考慮了當(dāng)前熱水控制器的功能不完善、節(jié)能效率不高等現(xiàn)狀，對(duì)控制器的運(yùn)行模式、用戶用水時(shí)段、水溫控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究。創(chuàng)新性地提出了一些控制理念，開(kāi)發(fā)了一套多模式多策略的控制器。至今，該控制器在太陽(yáng)能集熱工程系統(tǒng)上已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)半年。通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行觀察分析表明：該控制器控制策略符合太陽(yáng)能熱水工程相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，控制器與模擬量采集板、開(kāi)關(guān)量輸出板RS485本地通信穩(wěn)定，與本地監(jiān)控軟件通信可靠。該控制器無(wú)論在功能上、性能上，還是在外觀和可操作上都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

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圖5 不同控制器能效比較圖

參考文獻(xiàn)

[1] 郝鋼.我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（16）：13?14.

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[3] 門(mén)大偉.解析太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)[J].科技信息，2010（14）：683?684.

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[8] 鮑文勝.基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（5）：79?80.

[9] 苗潤(rùn)興.基于CPLD的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2009（7）：51?54.

圖2比較了恒溫水箱與用戶供水溫度的關(guān)系。對(duì)象系統(tǒng)用水時(shí)間段為5：00～8：00點(diǎn)、16：00～21：00點(diǎn)，其余時(shí)間基本不用熱水。由圖2可以看出，只有在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)用戶供水管道溫度接近恒溫水箱溫度，其余時(shí)間用戶供水管道溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于恒溫水箱溫度。這一現(xiàn)象說(shuō)明定時(shí)段回水功能可以實(shí)現(xiàn)在用戶不用水的時(shí)間段內(nèi)不進(jìn)行管道循環(huán)，從而大幅度的減少管道熱量損失。

圖3比較了實(shí)際用水需求和恒溫水箱真實(shí)水位的變化過(guò)程。對(duì)象系統(tǒng)要求在5：00點(diǎn)前水箱水位為50%，16：00點(diǎn)前水箱水位為100%。由圖3可以看出水箱實(shí)際水位在一天中不同時(shí)間段跨度比較大，在3：00點(diǎn)水位已經(jīng)上升到下一用水時(shí)間段的用水需求，此時(shí)輔助能源只需加熱水箱50%的水。在9：00～14：00點(diǎn)水位策略選為定溫放水，充分利用太陽(yáng)能。14：00～16：00點(diǎn)水位策略選為恒水位，滿足用戶16：00點(diǎn)前水箱水位為100%的用水需求。圖3說(shuō)明控制器多時(shí)段多策略對(duì)水箱水位進(jìn)行控制起到明顯效果，能夠最大限度的減少輔助能源的使用。因?yàn)槠胀刂破骺刂频膯嗡湎到y(tǒng)為了保證用戶的用水質(zhì)量，水箱水位需要一直保持在較高水位，導(dǎo)致輔助能源的投入時(shí)間增加。而本控制器對(duì)水位的控制非常靈活，可以滿足不同用水時(shí)間段的用水量需求，最大限度地降低輔助能源的投入。

為了對(duì)控制器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析而專門(mén)設(shè)計(jì)了一套能量計(jì)量軟件，由能量計(jì)量軟件完成對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能量計(jì)算，該軟件數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。

現(xiàn)以2014年03月20日—26日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，該周天氣變化不是很大。表1為以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表1 以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表1中可以看到，在一周天氣變化量不大，用戶用水量相差不大的情況下，利用本控制器的太陽(yáng)能熱水工程的能效比大約在4.00左右，常規(guī)能源替代量在1.40 t左右，CO2減排量在3.35 t左右。說(shuō)明控制器設(shè)計(jì)方案合理，節(jié)能減排效果明顯。

為了進(jìn)一步測(cè)試控制器的性能，現(xiàn)將本控制與現(xiàn)有市面上銷(xiāo)售良好的一款技術(shù)控制器進(jìn)行比較。為便于分析與比較，選擇太陽(yáng)輻射總量基本相同天氣，并控制每天的熱水用量基本一致，取一周的測(cè)試結(jié)果的平均值進(jìn)行分析。不同控制器的熱水系統(tǒng)能效比、單位熱水能耗的柱狀圖如圖5所示。

從圖5的比較可以得到本控制器的能效比更高，單位熱水能耗更低。說(shuō)明本控制器的節(jié)能效果更優(yōu)異，具有更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

控制器軟件設(shè)計(jì)充分考慮了當(dāng)前熱水控制器的功能不完善、節(jié)能效率不高等現(xiàn)狀，對(duì)控制器的運(yùn)行模式、用戶用水時(shí)段、水溫控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究。創(chuàng)新性地提出了一些控制理念，開(kāi)發(fā)了一套多模式多策略的控制器。至今，該控制器在太陽(yáng)能集熱工程系統(tǒng)上已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)半年。通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行觀察分析表明：該控制器控制策略符合太陽(yáng)能熱水工程相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，控制器與模擬量采集板、開(kāi)關(guān)量輸出板RS485本地通信穩(wěn)定，與本地監(jiān)控軟件通信可靠。該控制器無(wú)論在功能上、性能上，還是在外觀和可操作上都具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

<＼＼192.168.6.11＼現(xiàn)代電子技術(shù)14年37卷第24期＼Image＼23t5.tif>

圖5 不同控制器能效比較圖

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