太阳能热泵供热控制系统研究

太阳能热泵供热控制系统研究刘春蕾孙勇王汝鑫（河北建筑工程学院河北张家口075024）摘要：本文研究了利用太阳能及热泵机组联合供热的控制系统，该系统采用地下水箱对太阳能进行蓄热，并利用热泵机组和电辅助加热弥补太阳能在阴天或夜间获取的不足，通过测试现场参数对系统中的水泵、调节阀、辅助电热器等设备的运行过程进行自动控制，以达到室内温度的要求。关键词：太阳能热泵控制系统中图号：TU892；TP2731.引言能源的高效、清洁利用已经成为衡量一个国家和地区综合发展水平不可缺少的参照，是当今国际社会普遍关注的重大问题。而人类在使用能源过程中产生了环境问题，环境问题其实是因为能源在人类利用物质和处理物质上分配不对等，使得利用的速率大大超过处理的速率才产生的。节约能源，选择合适的能源，合理分配能源，也是解决环境问题的关键所在。如何实现能源清洁利用、保护大气环境是至关重要的。新能源的开发利用及各种节能技术的发展是解决能源紧缺和环保的主要途径。太阳能具有其他任何一种能源无法比及的优点。目前，太阳能已广泛应用于许多领域，特别是在解决生活需要方面，如生活热水、供热、太阳房等。但这些应用在需求上与太阳辐射能量规律存在着矛盾：当天气越冷、人们越需要热量的时候，太阳能量的供给往往不足。解决这一矛盾的有效办法就是蓄热技术。对于太阳辐射能量固有的间歇性，可以通过热泵技术和辅助电加热来弥补。而且通过蓄热装置还可以实现电力消峰填谷的目的，充分利用低价电。控制系统可以保证太阳能热泵供暖系统的正常运行。2太阳能-热泵供热系统及运行说明太阳能-热泵机组供热系统见图1：系统由热管真空管太阳能集热器、高位水箱、电加热器、地下蓄热水箱、热泵机组、末端散热装置、水泵、阀门等组成。地下储热水箱太阳能集热高位水箱用户热泵机组图1：太阳能热泵机组供热系统示意图作者简介：刘春蕾，女，1966年生，教授，主要从事测控技术研究河北建筑工程学院2014年度基金项目项目编号：ZD201406供热系统可以有三种供热方式：太阳能集热循环通过高位水箱对用户直接供热，高位水箱或地下蓄热水箱经热泵机组后对用户进行供热，第三种是高位水箱和地下蓄热水箱联合通过热泵机组后对用户进行供热，高位水箱底层四周布设电加热器用于弥补太阳能不足或蓄热不足造成的太阳能供暖热量的不足。3太阳能-热泵供热控制系统太阳能热泵供热控制系统如图2所示：图中设有太阳能集热温度、高位水箱温度和液位、地下蓄热水箱的温度和流量、管道压力、室内外温度等的检测，调节阀用于调节流量，以合理分配高位水箱、蓄热器和房间的热量。地下储热水箱太阳能集热高位水箱用户热泵机组DDCDODIAIAO图2：太阳能热泵机组供热控制系统监控图变频器变频器HFTTTAKT室外温度TABCDEFGHIJKLMNO水泵1水泵2水泵3水泵4阀门1阀门2水泵5控制系统可以实现以下控制功能：1、太阳能集热循环控制；2、加热控制：根据需求端的供暖情况，采用高位水箱出水温度或室内温度的要求控制电加热器的启停。3、热泵机组的启停控制：根据室内温度的要求自动启停热泵机组。4、水泵的启停控制：DDC根据事先设定好的程序自动的启停各台水泵。5、管道流量控制：为了使室内温度达到一定的数值自动的控制每个房间内分水器总管道上的电磁阀以控制室内的温度达到要求。6、供水管网的压力控制；控制系统的核心部件是直接数字控制器DDC，本系统利用西门子S7-1200PLC，并利用各种传感器采集现场信号，通过数字量输入输出和模拟量输入输出四个通道和控制器连接，经PLC的计算处理，控制和保护现场设备。系统中采用了两台变频泵以实现流量的控制以达到节能的目的。另外PLC通过通讯模块和以太网实现数据的远距离传送，以实现数据和设备的远距离监控，监控界面可以对现场设备的运行状况进行显示，以达到友好的人机交互界面。3.1PLC的硬件配置PLC是整个太阳能热泵供热控制系统的核心，要完成对系统中所有信号的采集、运算及对所有设备的控制，因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件等多方面因素。由于太阳能热泵供热控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-1200型。S7-1200型PLC结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统，且具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，可以对程序实施安全保护。根据控制系统实际监控点数，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-1200型PLC的主模块为CPU1214C，其开关量输出为10点，输出形式为AC220V继电器输出，开关量输入为14点，输入形式为+24V直流输入，另外还有两路模拟量输入。但由于实际中需要模拟量输入7路，模拟量输出点2路，所以需要扩展，扩展选择输入输出组合的4模入/2模出的信号模块SM两块，及16DC输入/16继电器输出的信号模块SM一块，另外需要扩展通讯模块CM1241RS485一块。其硬件配置图如图3所示。CPU1214CCM模块（1241RS485）SM模块（模拟量）SM模块（模拟量）SM模块（数字量）图3：PLC硬件配置图3.2控制系统软件设计当室外温度较高时，相应的太阳能集热温度和高位水箱出水温度均较高，此时直接启动水泵1和水泵2，开启阀门1和阀门2，系统开环运行太能能直接供热，从而使室内温度稳定在一定的范围内，同时启动水泵5，地下水箱蓄热。当室内温度低于某一数值时，则开启热泵机组和变频水泵，对房间温度进行闭环控制，此时可以将室外温度和太阳能集热温度作为前馈信号构成前馈加反馈的控制系统，以提高控制速度和精度，其控制原理如图4所示。PLC热泵机组变频器电磁阀房间室内温度传感器启动泵1.2开启阀门1.2高位水箱太阳能集热温度T图4自动控制原理图室外温度室内温度设定值T-当某个房间温度较高或没有人居住时可以局部关闭分水器上的电磁阀，实现温度的局部调节。作为主控制系统按功能大体可分称七个子模块，分别为系统初始化、自检、温度数据采集、显示输出、控制输出、系统保护和报警，其流程图如图5所示开始太阳能出水温度高于某值？室外温度高于某值？高位水箱温度高于某值？结束启动水泵1、2开启阀门1、2室内温度低于某值？开启热泵机组开启变频泵3、4结束YYYNNNY关闭电磁阀N图5程序流程图4结论热泵机组及蓄热装置弥补了太阳能利用过程中的缺点，结合热泵和电辅助加热用于供热系统符合国家的能源政策，而且通过蓄热可以利用低价电，对实现能源多样化，使电力移峰填谷，节省运行费用和燃煤、油等带来的环境污染，解决生产生活热水供应及采暖问题，对节约我国每年因供暖而消耗的大量战略资源－煤资源、石油资源、电力资源具有深远的积极意义。本成果针对小型建筑——别墅、农村的独立供热，在我国三北地区有广阔的推广前景。借助自动控制太阳能热泵供热装置可提供稳定流量、稳定温度的供回水，适于采暖工程的要求，既利用了可再生的太阳能，又利用了低谷电，起到移峰填谷的作用，太阳能热泵供热系统可用于生态建筑系统，其市场容量之大不可估量。参考文献[1]张志刚，赵树兴，吕建．电热蓄热系统的经济性分析．煤气与热力，2005年第2期：36-38[2]刘春蕾孙勇王汝鑫．河北建筑工程学院学报，2015年12月第4期[3]史葆华．使用蓄热电锅炉供暖移峰填谷降成本．电力需求侧管理，2004(11)，PP53-54[4]西门子S7-1200PLC可编程控制器产品样本说明ResearchonthecontrolsystemsofsolarenergyheatpumpheatingLIUChunleiSUNYongWANGRuxin(HebeiUniversityofArchitecture,HebeiZhangjiakou075024)Abstract:Inthispaper,thecontrolsystemsstudyhybridsolarenergyandheatpumpheating.Asareplacementfortheinsufficientofsolarenergyinthecloudydayornight,theheatingsystemusetheundergroundcisternforsolarheatstorageandheatpumporelectricboosting.Inordertoachievetherequirementofindoortemperature,thecontrolsystemcanbeautomaticallycontrolthewaterpump,regulatingvalve,auxiliaryelectricheaterandotherequipmentbytestingfieldparameters.Keyworks:solarenergy,heatpump,controlsystem