图   空气源热泵辅助太阳能热水机组工作原理

       1　引言                                                                        

       太阳能监控系统是目前最成熟的太阳能利用技术之一，具有                                      2.1　太阳能集热系统

   运行成本低、无污染等优点；但其利用效率受天气状况的影响，                                        太阳能集热系统采用平板式集热器吸收太阳能加热工质，当

   在阴雨天或者阳光较弱时难以满足热水需求，需要增加辅助热源                                   集热器出口温度T1与换热器水温T2的温差达到系统设定的启动温

   实现全天候运行。空气源热泵以环境空气作为低温热源，具有系                                   差ΔT1时，即T1-T2≥ΔTs1启动循环泵P1开始温差循环；当二者

   统结构简单、热效率高等优点；以空气源热泵辅助的太阳能热水                                   温差值降低到系统设定停止温差ΔT2时，即T1-T2≤ΔT2，停止循

   机组，可以在太阳能不足的时候利用空气能制热水，实现太阳能                                   环泵P1；通过太阳能集热器与水箱之间的温差循环，不断将集热

   热水系统的全天候稳定运行。                                                  器吸收的太阳能热量传递到水箱，使水箱中的水温度逐渐升高达

       空气源热泵辅助太阳能热水机组运行的关键是自动控制太                                  到洗浴要求的温度。

   阳能与空气能之间的能量匹配，实现最大限度的太阳能热利用。                                        2.2　空气源热泵系统

   目前空气源热泵的启动主要根据水箱内的水温，没有综合考虑光                                        当阴雨天光照不足或晚上没有光照时，单纯依靠太阳能无法

   照、水箱水量、用水状况等因素的影响，降低了太阳能的利用效                                   满足热水温度(如45℃)要求，此时需要开启辅助热源空气源热泵

   率。本文以某高校洗浴中心的空气源热泵辅助太阳能热水机组为                                   进行加热。空气源热泵采用的是定温度循环系统，当水温T2低于

   研究对象，综合考虑外部光照条件、水箱温度、用水时段等多种                                   设定温度(如45℃)时，根据光照强度、水箱水位等多种条件自动

   因素，设计空气源热泵辅助太阳能热水机组的自动监控系统，实                                   启动空气源热泵对水箱中的水加热，当水温T2达到设定温度(如

   现机组全天候自动运行，有效节约了能源。                                            60℃)后，空气源热泵系统运行停止。

                                                                       2.3　水箱自动上水系统

                                                                       热水机组的自动上水系统主要根据太阳辐射强度和用户用

       2　空气源热泵辅助太阳能热水机组工作原理

       空气源热泵辅助太阳能热水机组的工作原理如图1所示，该                                 水情况自动进行：（1）当处于用水高峰的时间段，且太阳能辐

   机组包括太阳能集热系统、空气源热泵系统、水箱自动上水系                                    射强度低于某一值时，此时应用空气源热泵加热，保持水箱的水

72         AUTOMATION PANORAMA    2014.7

                                                                                             ka

位在满水位的40%~60%，即水位低于40%时自动上水，水位达到

                                                                                        检测T1、T2、T3

60%时停止上水；（2）太阳能辐射强度大时，保持水箱的水位在

70%~100%，在该时间段充分利用太阳能加热热水。                                           N                                              N

                                                                           T1>8℃          T2<45℃            T3<6℃

    2.4　用户供水系统                                                               Y                Y                Y

                                                                          启动泵1          启动热泵和泵    2

                                                                                                         启动防冻循环

    用户供水系统是进行变频恒压供水，根据用户的用水量自动                                          进行集热循环              加热

进行调整，保证热水使用时是恒压供水。

                                                                              ℃    N           ℃   N           ℃    N

    2.5　防冻循环系统                                                             T1<2 t2="">60           T3>10

                                                                             Y

    室外管道(集热水箱和集热器之间)在寒冷的冬天可能被                                             关闭泵1

                                                                                          关闭热泵             关闭热泵

                                                                        停止集热循环

冻，因此必须有防冻循环功能；当集热器温度(检测传感器测温)

T5≤5℃时，启动循环泵P2和P3，进行空气源热泵系统和用户供水                                     N

                                                                                  系统退出

系统的防冻循环，防止管路结冻。

                                                                                   Y

                                                                                    结束                   图3  温度控制策略

    3　热水机组监控系统设计                                                    （2）水位控制策略

    3.1　PLC控制系统硬件设计                                                 热水机组的自动上水根据时间和太阳辐射强度分为两种情

    空气源热泵辅助太阳能热水机组的控制系统以台达PLC为                                 况：（1）处于用水高峰的时间段(16:00~20:00)时，水箱的水位保

核心，主要实现温度、水位、压力、功率等信息的实时监测与                                    持在30%~60%，即水位低于30%时自动上水，水位达到60%时停

控制，PLC控制系统的原理如图2所示。图中，T为温度传感器                                  止上水；（2）其他时间段水箱的水位保持在60%~100%。

Pt100，其中T1检测太阳能集热器出口温度，T2检测水箱的水                                     3.3　触摸屏组态软件设计

温，T3检测管道温度；h为投入式静压水位传感器，检测水箱的                                        触摸屏选用DVP-B07S411，与PLC通过串行通讯接口RS485进

水位高度；Q为流量传感器，检测用水的流量；P1与P2为功率变                                 行通讯，PLC与触摸屏之间的传输速率为19.2Kbps。系统的被控量

送器，分别检测太阳能监控系统和热泵热水系统消耗的功率。                                    有水箱的液位、压力、温度，管道温度，光照强度，功率等。所有

温度信号采用DVP04Pt模块采集，对应检测范围为0~600℃，                               的被控量都通过触摸屏进行实时监控。监控主页面如图4所示。

转换为数字量信号为0~6000。水位、流量等传感器输出标准                                        

信号4~20mA，采用DVP04AD模块采集，转换为数字量信号为

0~8000。控制系统的输出采用继电器输出方式，根据各传感信号

控制循环泵1、泵2、热泵以及上水电动阀的启停。

                            T1  T2  T3     H   Q   P1  P2

 启动   停止

                                                                                                             图4  主控界面

    X   X              24G  CH0 CH1 CH2    CH0 CH1 CH2 CH3

      0   1                                                         主控界面还包括温度显示画面、液位显示画面、报警画面、

          台达PLC              DVP04PT        DVP04AD

                                                               PLC监控画面、参数设置页面、HMI设置、屏幕保护程序等实时

    Y0  Y1   Y2  Y3     C0

                                                               监控更改系统的运行情况。

                   AC220V                                           4　结论

    泵1  泵2  热泵  电动阀                                                 太阳能空气源热泵热水机组是一种新型节能产品，以太阳能

                                 图2  PLC控制系统的原理图               和环境空气作为热源，可以取之不尽，用之不竭，是一种可替代

    3.2　热水机组控制策略研究                                             锅炉的供暖设备和热水装置。试验分析了太阳能空气源热泵热水

    （1）温度控制策略                                                  机组的工作原理，应用PLC设计了该台热水机组的控制系统。经

    空气源热泵辅助太阳能热水机组的温度控制是通过集热器与                                 验证该系统实现了信号的自动采集与处理、补水及温差的自动循

水箱的温差循环，以及空气源热泵的辅助加热，实现水箱的水温                                   环，实现了热水机组的全自动运行，且系统运行稳定可靠，对其

大于某设定温度(如45℃)。控制策略图如图3所示。                                      他控制系统的设计也具有一定的参考价值。