太阳热水工程智能控制系统的设计

        引言
        太阳能热水工程具有环保、节能、经济、投入产出比高等优点，但太阳能能量密度低、加热时间长、每天的太阳辐照量不确定，因此，太阳能供热水具有可靠性差，每天产热水量不确定等缺点，必须采用太阳能与辅助加热相结合的方法来解决热水保证率的问题。如何使太阳能热水系统达到既能充分利用太阳能产生的热水，又能确保热水供应的可靠性，是太阳能热水工程必须解决的问题；另外，太阳能热水系统的可靠性，系统运行的合理性等也是工程设计者必须考虑的问题。以上问题，除了太阳集热器等系统产品本身的质量外，电气控制系统设计的成功与否也是保证该太阳热水系统能否可靠、智能运行的关键。
        1　控制系统设计应考虑的问题
        目前，常用的太阳热水系统主要有自然循环系统、强迫循环系统和定温放水系统。不同的太阳热水系统，其控制系统的设计也不同。为了叙述问题的方便，本文仅以比较常用的，带电辅助加热的定温放水太阳热水系统为例，其系统运行主要应考虑以下问题：
        1.1　如何实现太阳能加热系统定温出热水；
        1.2　当太阳能产生的热水装满储热水箱时，如何继续有效的利用太阳能；
        1.3　当太阳能产热水量不足时，如何起动电辅助加热补充所需热水；
        1.4　如何既确保热水供应的可靠性，又最大限度地利用太阳能产生的热水，减少不必要的电辅助加热，从而降低运行成本；
        1.5　如何解决冬季的防冻问题，系统的漏电保护、过热保护等问题；
        1.6　如何实现上述要求的自动化、智能化控制，系统远距离监控等。

        2　对上述问题的分析
        通过深入分析上述六个问题，可以得出如下结论：
        2.1　通过检测太阳集热器出口的水温，可以很容易地实现太阳能加热系统定温出热水。这种方式目前广泛的采用，且效果良好。
        2.2　当太阳能加热产生的热水装满储热水箱时，可以通过温差循环加热的方法，继续有效地利用太阳能加热。
        2.3　对系统应考虑的第1.3、1.4两个问题，可以通过PLC可编程控制器来实现智能全自动控制。实际上，控制系统的关键主要是通过对储热水箱水温、水量、时间3个参数的监控和调节来实现的。根据单位时间电辅助加热的产热水量，来确定电加热需要加热的时间。
        2.4　通过控制管路和水箱的水温，可以实现系统的防冻问题；根据太阳集热器出口的水温、可以判定系统是否过热；通过检测和调节管路和水箱的水温，可以解决冬季防冻问题；在控制系统中增设漏电保护开关、确保系统接地良好，可以解决系统的漏电保护问题。
        2.5　实现系统的智能化全自动控制，关键是根据系统的水温、温差、水量、时间等来确定太阳能或电辅助加热的运行或停止。因此，控制系统应具有自动计算和根据计算结果自动控制的功能。现在PLC编程可以很方便的实现上述功能，并可以远距离显示和监控，还可以任意升级控制程序，优化控制功能。

        3　控制系统的设计
        根据上述分析结果，做出定温放水和电辅助加热系统的智能控制设计方案。为方便理解，将该系统的运行原理结合下面叙述如下。
        3.1　正常情况下，太阳能定温加热
        在光照条件下，当太阳集热器内水温达到设定水温时，可在0~100℃之间任意设定，一般设定在45~55℃，PLC控制器使供冷水电磁阀（也可选用水泵，下同）自动打开，自来水进入太阳集热器底部，同时将太阳集热器顶部达到设定温度的热水顶入储热水箱；当太阳集热器顶部水温低于设定温度时，PLC控制器使供冷水电磁阀自动关闭。如此运行，不断将达到设定温度的热水顶入储热水箱储存。
        3.2　储热水箱满水位时，太阳能温差循环加热 

        当储热水箱水满时，为了防止水满溢流，PLC控制器使太阳能系统自动转入温差循环。当太阳集热器水温高于储热水箱水温时，循环水泵自动启动，将储热水箱内较低温度的水，泵入太阳集热器继续加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶入储热水箱。如此，通过使储热水箱水温升高的方法储存太阳集热器吸收的太阳能。当用户使用热水，使储热水箱水位下降后，PLC控制器使太阳能系统自动转入定温加热。
        3.3　太阳能不足时，电辅助加热与太阳能非定温供水
        PLC控制器将随时监测储热水箱水位。在天气正常的情况下，储热水箱的水位在一天中不同的时间将达到不同的水位。如果在某一时间内，储热水箱的水位没有达到正常的水位，说明太阳能产热水不足或用户用热水过度。此时PLC控制器将使电辅助加热自动启动，对储热水箱内的水进行加热，使储热水箱内的水温升高；当储热水箱内的水温达到设定值时（一般应设定在55~60℃），PLC控制器将使太阳能供冷水电磁阀自动打开，使冷水进入太阳集热器，同时将太阳集热器内的非定温水顶入储热水箱，由于较低温度的水进入储热水箱，使储热水箱内的水温降低，水位升高；当储热水水箱内的水温降低设定温度时(一般应设定在45~50℃)，太阳能供冷水电磁阀自动关闭；如此不断，实现了电辅助加热补充热水。当储热水箱的水位达到正常水位时，电辅助加热自动停止。