黃建優(yōu)

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

多能源熱水系統(tǒng)指的是采用非單一能源進行加熱產(chǎn)水，然后將熱水儲存至水箱，再通過管道輸送至用戶用水端的系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)多用于集中供水的酒店、學校、醫(yī)院等大型商用或公共場所使用。隨著國內(nèi)居民生活水平的提高，以及國家對節(jié)能環(huán)保要求的提高，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些家用的多能源熱水系統(tǒng)，這類家用多能源熱水系統(tǒng)多用于大戶型或者是別墅型這類需要大量熱水使用的應用場景。目前國內(nèi)外已有部分熱水器廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了一些多能源熱水系統(tǒng)產(chǎn)品，該類產(chǎn)品一般都包含有平面型太陽能集熱板、熱泵熱水器、燃氣兩用爐、燃氣熱水器等幾種能源的組合。該類多能源熱水系統(tǒng)的開發(fā)通常需要熱水器整機廠投入研發(fā)的部分有：①熱力系統(tǒng)的設計研發(fā)；②中央控制器的設計研發(fā)；③單機系統(tǒng)控制器的設計研發(fā)。由于要使得系統(tǒng)中的各單機系統(tǒng)受中央控制的控制，因此熱水器整機廠家需要對每個單機產(chǎn)品進行控制器重新開發(fā)，通常的控制方式是采用通信協(xié)議的方式控制。而且一般的熱水器整機廠很難達到涵蓋到所有品類產(chǎn)品的研發(fā)，各大整機廠的技術(shù)強項往往只在于幾個產(chǎn)品類別，因此勢必造成了熱水器整機廠研發(fā)的難度大，研發(fā)的投入大。而對于用戶而言，由于該類產(chǎn)品屬于同一品牌廠家開發(fā)，因此一般都需要客戶成套購買、安裝及調(diào)試，初期購置成本高，后期維護也不方便，單機產(chǎn)品也無法根據(jù)客戶的需求進行品牌自由選擇。開發(fā)控制系統(tǒng)難度大等難題一直困擾著廣大整機廠，也使得該類節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品無法大力推廣應用。

1 方案設計

1.1 方案原理概述

本方案多機控制系統(tǒng)中設計有一個中央控制器，該中央控制器獨立于單機系統(tǒng)外部，該中央控制器用于收集熱水系統(tǒng)中的一些運行參數(shù)：儲水水箱的溫度，太陽能熱水器集熱板的溫度，太陽能熱水器循環(huán)換熱器管路、熱泵熱水器循環(huán)換熱管路、燃氣熱水器循環(huán)換熱管路中的水流信號等[1]；同時中央控制器還有用于：控制太陽能熱水器循環(huán)換熱管路的水泵啟動、控制燃氣熱水器循環(huán)換熱管路的水泵啟動的繼電器電路等，中央控制器還有用于輸出模擬電壓信號到熱泵熱水器溫度傳感器的接口[2]。通過中央控制器采集儲水水箱的溫度，從而輸出控制條件給各單機系統(tǒng)，使該多能源系統(tǒng)以最優(yōu)化能源組合方式進行運轉(zhuǎn)，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.1.1 燃氣熱水器的工作啟動條件

燃氣熱水器在工作時，必須要滿足一定的條件時燃氣熱水器才會啟動加熱或停止加熱。燃氣熱水器的工作條件為：①燃氣熱水器進水溫度要小于燃氣熱水器設置溫度；②燃氣熱水器有水流流過；③燃氣熱水器處于非故障狀態(tài)下。如果條件滿足則燃氣熱水器啟動加熱流程，對流經(jīng)燃氣熱水器的水流進行加熱。當無水流流過燃氣熱水器或者出水溫度高于設置溫度，則燃氣熱水器會停止加熱，停止運行。以上水流信號、進水和設置溫度信號即燃氣熱水器的外部啟動/停止條件。

1.1.2 熱泵熱水器的工作啟動條件

熱泵熱水器在工作時，必須要滿足一定的條件時熱泵熱水器才會啟動加熱或停止加熱。熱泵熱水器工作的條件為：①熱泵熱水器加熱輸出的熱水溫度值小于熱泵熱水器設定的溫度值；②熱泵熱水器處理非故障狀態(tài)下。如果條件滿足則熱泵熱水器啟動加熱流程，對流經(jīng)熱泵熱水器的水流進行加熱。當加熱輸出的溫度值大于設定溫度值時，則熱泵熱水器會停止加熱。以上加熱輸出水溫溫度信號即熱泵熱水器的外部啟動/停止條件。

1.1.3 太陽能熱水器的工作啟動條件

太陽能熱水器在工作時，主要檢測太陽能熱水器集熱板的溫度與儲水水箱設置溫度的溫差，如果太陽能熱水器集熱板溫度大于水箱設置溫度的溫差，啟動太陽能熱水器循環(huán)水泵進行換熱，將太陽能熱水器中的熱水輸入至儲水水箱。當太陽能熱水器集熱板中的水溫小于集水水箱中的溫度時，停止換熱。由于太陽能熱水器系統(tǒng)屬清潔能源，制熱過程不會產(chǎn)生能耗，同時也無法控制制熱，因此太陽能熱水器系統(tǒng)沒有外部啟動條件，在熱水系統(tǒng)中是一直運行的，只要太陽能熱水器集熱板與儲水水箱設置溫度產(chǎn)生了溫差就可以進行換熱。

1.2 熱力系統(tǒng)

本方案的熱力系統(tǒng)主要包含有以下部分（如圖1所示）：①儲水水箱；②太陽能加熱系統(tǒng)；③熱泵加熱系統(tǒng)；④燃氣熱水器加熱系統(tǒng)；⑤回水系統(tǒng)；⑥連接管路系統(tǒng)。

熱力系統(tǒng)包含有儲水水箱，其作用主要用于單機系統(tǒng)的換熱，儲存熱水，冷水及熱水的輸入輸出的功能。單機系統(tǒng)將儲水水箱內(nèi)的低溫冷水通過管路循環(huán)至單機系統(tǒng)并進行加熱，然后再通過管路循環(huán)將加熱后的熱水輸出至儲水水箱，完成換熱循環(huán)。

各單機系統(tǒng)均不做任何設計及改動，僅以外部條件來使各單機系統(tǒng)進行啟動/停止控制，當單機系統(tǒng)運行后即可完成制熱水的功能。

1.3 中央控制器

本方案所描述的一種熱水系統(tǒng)的多機控制裝置，包括有一個中央控制器，其中央控制器包含有以下電路單元（如圖2所示）：①電源模塊；②中央處理器單元；③水流開關(guān)檢測模塊；④水箱進水水流量傳感器檢測模塊；⑤水箱水溫傳感器檢測模塊；⑥太陽能溫度傳感器檢測模塊；⑦模擬熱泵溫度電壓信號輸出；⑧太陽能循環(huán)水泵驅(qū)動模塊；⑨燃氣熱水器循環(huán)水泵驅(qū)動模塊；⑩出水回流循環(huán)水泵驅(qū)動模塊；[11]顯示板通信模塊。

圖1 熱力系統(tǒng)框圖

本方案通過中央控制器處理單元計算水箱水溫的數(shù)據(jù)，通過模擬輸出各單機系統(tǒng)所需要的啟動信號，可以控制以下系統(tǒng)的運行：①通過中央控制系統(tǒng)可以控制燃氣熱水器外部循環(huán)水泵來使燃氣熱水器單機啟動或停止加熱；②通過中央控制器系統(tǒng)可以模擬溫度值電壓信號（表1）可以控制熱泵熱水器單機啟動或停止加熱；③通過中央控制器系統(tǒng)可以控制太陽能熱水器外部循環(huán)水泵來使太陽能熱水器單機啟動或停止加熱；④再通過連接管路將各單機系統(tǒng)中的熱量輸送至儲水水箱中，從而實現(xiàn)對各單機統(tǒng)一調(diào)配及控制。

2 測試驗證

傳統(tǒng)的多機熱水系統(tǒng)的設計必須通過以下的方法：開發(fā)一款中央控制器，通過該控制器上的通信接口與每臺熱水器單機連接，通過該控制器與熱水器間的控制協(xié)議來實現(xiàn)對熱水器單機的控制。通過以上方法可以實現(xiàn)中央控制器對單機熱水器的控制，但這樣實現(xiàn)的話，存在幾個題：①中央控制器需要重新開發(fā)硬件且預留各個單機的通信接口；②單機熱水器需要重新開發(fā)硬件，預留與控制器通信的接口；③需要開發(fā)專用的通信控制協(xié)議。而且通過以上方法開發(fā)的控制系統(tǒng)非常受限，只能使用一些固定的機型（帶有外部控制功能）；且由于控制協(xié)議的受限（各種產(chǎn)品間不通用），這種控制方法多用于一個廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，無法兼容市場上其它品牌的產(chǎn)品，這樣極大的限制了該類產(chǎn)品的市場推廣（一般廠商無法做到所有產(chǎn)品自制，這樣就會限制該類產(chǎn)品的應用）。

顯而易見的，傳統(tǒng)的設計方案，需要消耗大量的開發(fā)費用及資源，且適用性非常差。而通過本技術(shù)方案所研發(fā)的控制器方案，研發(fā)投入非常低，對系統(tǒng)的改造小，適應性強。

本技術(shù)方案通過外部條件的控制方案，組建了實驗測試環(huán)境，并對外部控制條件進行了各種工況下的啟動-停止驗證，充分的驗證了控制方案的可行性（圖3）。

圖2 中央控制器系統(tǒng)框圖

表1 中央控制器輸出電壓DAC對應熱泵熱水器溫度表

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的方案，系統(tǒng)復雜，技術(shù)難度大，開發(fā)周期長。而且系統(tǒng)的兼容性差，系統(tǒng)靈活性差，不適用于家用客戶訂制化產(chǎn)品的開發(fā)，僅能適用于商用產(chǎn)品的環(huán)境，這大大的限制了該類產(chǎn)品在實際應用中的推廣。而本技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單，對原有水系統(tǒng)的管路設計部分不做任何改動，使得系統(tǒng)方案可實施性高，整體系統(tǒng)投入費用少，用戶體驗更好。