/山东科技大学机械电子工程学院 吕帅/

0 引言

太阳能热水系统是目前最成熟的太阳能利用技术之一，具有运行成本低、无污染等优点；但其利用效率受天气状况的影响，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，实现太阳能热水系统的全天候稳定运行。

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。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，实现机组全天候自动运行，有效节约了能源。

1 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、水箱自动上水系统、用户供水系统、防冻循环系统五个部分。

1.1 太阳能集热系统

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差ΔT1时，即T1-T2≥ΔTs1启动循环泵P1开始温差循环；当二者温差值降低到系统设定停止温差ΔT2时，即T1-T2≤ΔT2，停止循环泵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到洗浴要求的温度。

图1 空气源热泵辅助太阳能热水机组工作原理

1.2 空气源热泵系统

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低于设定温度（如45℃）时，根据光照强度、水箱水位等多种条件自动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60℃）后，空气源热泵系统运行停止。

1.3 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水情况自动进行：①当处于用水高峰的时间段，且太阳能辐射强度低于某一值时，此时应用空气源热泵加热，保持水箱的水位在满水位的40%～60%，即水位低于40%时自动上水，水位达到60%时停止上水；②太阳能辐射强度大师，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。

1.4 用户供水系统

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调整，保证热水使用时是恒压供水。

1.5 防冻循环系统

室外管道（集热水箱和集热器之间）在寒冷的冬天可能被冻，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系统的防冻循环，防止管路结冻。

2 热水机组监控系统设计

2.1 PLC控制系统硬件设计

空气源热泵辅助太阳能热水机组的控制系统以台达PLC为核心，主要实现温度、水位、压力、功率等信息的实时监测与控制，PLC控制系统的原理如图2所示。图中，T为温度传感器Pt100，其中T1检测太阳能集热器出口温度，T2检测水箱的水温，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为功率变送器，分别检测太阳能热水系统和热泵热水系统消耗的功率。温度信号采用DVP04Pt模块采集，对应检测范围为0～600℃，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4～20m A，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。

图2 PLC控制系统的原理图

2.2 热水机组控制策略研究

（1）温度控制策略

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，实现水箱的水温大于某设定温度（如45℃）。即根据ΔT1控制循环泵1通过太阳能加热，根据T2。控制策略图如图3所示。

图3 温度控制策略

（2）水位控制策略

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况：①处于用水高峰的时间段（16:00～20:00）时，水箱的水位保持在30%～60%，即水位低于30%时自动上水，水位达到60%时停止上水；②其他时间段水箱的水位保持在60%～100%。

2.3 触摸屏组态软件设计

触摸屏选用DVP-B07S411，与PLC通过串行通讯接口RS485进行通讯，PLC与触摸屏之间的传输速率为19.2Kbit/s。系统的被控量有水箱的液位、压力、温度，管道温度，光照强度，功率等。所有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。

图4 监控主页面

主控界面还包括温度显示画面、液位显示画面、报警画面、PLC监控画面、参数设置页面、HM I设置、屏幕保护程序等实时监控更改系统的运行情况。

3 结束语

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，对其他控制系统的设计也具有一定的参考价值。