太阳能热水系统工程控制与计量案例解析
来源：太阳能产业资讯
我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但与太阳能热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段。
以前有太阳能市场以家用式阳能为主，控制器适用于对水温和季节要求不高的用户。虽然多数厂家生产的控制器能够满足日常需要，但都不是智能的，给用户使用带来许多不便。而大部分太阳能系统工程的控制系统，往往使用单片机，结果是电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不方便。
采用PLC控制是近几年才出现的，PLC具有编程简单方便，可现场修改程序，硬件维护简单，可靠性高的特点。
创意博是工程控制器做的比较好的几个厂家之一，我们基本上采用的是创意博的控制系统。
项目基本情况
配餐楼为T3航站楼国际航班提供配餐，设计生产能力为日产1.8万份，远期最终能力为2.5～3万份。太阳能集热器布置在配餐生产楼屋面上，贮热水箱及泵阀、系统控制柜等设备位于配餐生产楼地下机房内。
太阳能热水工程系统的热水由太阳能和蒸汽加热联合提供，确保所需热水的供应。
设计用水量为生产用热水100吨/日，生活用热水12吨/日。
热水工程系统应体现优先和充分利用太阳能热源加热，当太阳能不足时由蒸汽热源辅助加热。系统所需热水温度为60℃，供热水系统工作压力为0.35MPa。
太阳能热水系统介绍
太阳能集热管选用全玻璃真空管式太阳能集热器。选用全玻璃真空管式太阳能集热器，集热面积1950m2的要求。
太阳能集热器要水平放置；太阳能集热器的管间距确保在春夏秋三季正午时，相邻的真空管之间不发生遮光。
太阳能集热器水平放置在屋面的太阳能支架上。为便于维护与检修以及其他设备的放置等，太阳能集热器支架高出屋面2米。
太阳能热水系统要设计为太阳能与现有锅炉辅助加热运行方式。
控制系统设计要点
控制系统采用工业级可编程控制器,可实现无人值守全自动运行,并达到优先和充分利用太阳能基础上,根据用户用热水需求,保证用户热水需要的效果。
基于PLC装置的控制系统
计算机系统由五大部分-即控制单元（CU）、算术运算单元（ALU）、存储器（Memory）、输入设备（Input）、输出设备（Output）组成。
随着集成度的提高，CU和ALU合在一块就组成了中央处理单元（CPU）,接着将CPU集成到单块集成电路中就产生MPU或MCU。
MPU往高性能、高速度、大容量方向发展，形成PLC。
MPU往多功能方向发展，形成单片机。
基于PLC装置的控制系统
对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。
不同的PLC都遵循相同的工作原理，类似的功能和性能指标，因此具有一定的互换性，质量有保证，编程软件具有标准化方向，这正是PLC获得广泛应用的基础。
对于量大的配套项目，采用单片机系统嵌入PLC的功能，可大大简化单片机系统的研制时间，性能和效益较PLC控制好。
控制难点
原设计是采用闭式循环换热，如采用全玻璃真空管太阳能集热器，加热方式宜采用开式温差循环方式。
根据GB/T17581—1998《真空管太阳集热器》6.3.2集热器试验条件：试验压力：1.5×工作压力，非承压式集热器为0.02MPa。因此全玻璃真空管太阳能集热器只适用于非承压循环系统，经太阳能专家、相关技术人员及设计院的论证，认为该热水系统应设计为非承压的开式循环加热系统。
集热器的面积过大（541组SPQBJ-56),为保证循环充分，宜将集热器分组循环，按布置分为5个区域，变频水泵区域循环。
运行原理
具体运行原理如下:
1、太阳能系统：.当某一分区的太阳能集热器水温高于循环水箱水温设定值10℃时，控制器使这一分区的电动调节阀开启，管道压力下降，压力变送器控制温差循环泵中的变频水泵启动.
当第二分区的集热器水温高于循环水箱设定值10℃时，控制器控制这一分区的电动调节阀开启，循环主管的压力继续下降，压力变送器继续将温差循环泵的频率调节到满足恒定水压的状态。以此类推，依次开启的分区电动阀将使水泵达到工频运转，这时，原来运行的水泵转为工频运转，第二台启动的水泵进入变频运转，循环加热的水会源源不断地进入循环水箱，如此不断,使循环水箱水温不断升高。当集热器温度与循环水箱温度相差不足10℃时，循环水泵停止。
换热系统运行
当储热水箱水温低于循环水箱设定值10℃时，控制器启动换热水泵)中的一台启动,同时启动温差循环泵中的一台进入变频运转,当储热水箱中的水温大于62℃时,换热水泵停止运行。
防冻措施
（1）防冻控制:系统采用循环防冻加应急排空防冻模式。
（2）管路防冻循环:当室外温度低于5℃,循环泵自动启动,当室外温度大于等于8℃时,循环泵自动停止;
（3）集热器应急排空：当冬季夜间温度极低状态，循环防冻无法保证时，可打开泄水阀门，将室外管路中的水放空,达到防冻的目的。
保证系统运行的几项措施
系统须增加集分水器1组、电动调节阀5组、同时增加太阳能循环水泵的变频控制，增加开式热水循环水箱。
集、分水器的作用是为了平衡由于集热器的分区布置造成的管路内压力不均衡。
由于集热器的分区造成了管路长短不一，为保证各区的水流量均衡，因此增加电动阀门可以调节各区的水流量。
由于集热器分区布置，区与区之间的相距位置较远，相距较远区域间的集热器可能会产生温差，温差会影响水泵的启停，因此将水泵改变为变频控制，可以与电动阀联合实现分区供水，最大利用太阳能。
作为开式系统，循环水箱是必不可少的，同时也可以通过循环水箱的液位高度差控制系统补水。
控制系统的功能
控制器分为主控制器和副控制器，带有触摸屏的立式柜为主控制器，壁挂式控制器为副控制器。
主控制器的主要功能：
温差循环功能、防冻循环功能、循环水箱防冻功能、循环水箱上水功能、生产水箱定温进水功能、生产水箱定温补水功能、生产水箱与循环水箱温差循环功能、生产水箱自动上水功能、生产水箱定时上水功能、生产水箱定时间段辅助加热功能、生活水箱定温进水功能、生活水箱定温补水功能、生活水箱与循环水箱温差循环功能、生活水箱自动上水功能、生活水箱定时上水功能、生活水箱定时间段辅助加热功能、报警功能、高温保护功能、低水位保护功能、水位保护功能、通信中断报警功能、自动锁机功能。
副控制器的功能
副控制器的主要功能：采集温度集热器温度、水箱温度、室外温度、换热器温度和控制输出电动阀、电磁阀、循环水泵、换热水泵和辅助能源。
经验与提高
创意博公司的CA8型大型工程控制器
主要用于大型联集管式太阳能热水工程
优点：控制输入输出点位多，功能齐全，控制界面直观、易懂，可实现远程监控。
提高：降低造价成本，增加自动计量功能，增加推荐参数的设定，增加季节固定模式运行模式。
天津顶秀欣园太阳能热水工程控制系统介绍
天津顶秀欣园项目位于天津市东丽区京汉快速路北侧华明新家园，总建筑面积15.06万平方米，建设用地面积8.5万平方米。地块由4个居住团和2片公共绿地组成。西侧和北侧组团为8栋20层高层住宅，南侧组团为6栋11层小高层住宅，中间部分采用6栋16层和6栋18层的住宅。
太阳能热水系统说明
太阳能热水系统采用集中集热-分户供热系统。
系统由热管型集热器，循环落水水箱，户用贮热水箱（带辅助电加热器），循环管道，循环泵组，控制仪表等设备组成。
计量方式：
集中集热-分户供热系统，充分考虑了房地产行业存在的收费难问题，用户使用的水、电均通过自家的水表、电表计量，太阳能系统只提供热量，而这种热量来源于太阳这种免费的清洁能源，因此不会产生收费纠纷。
控制原理说明
控制系统控制点：
T1-集热器出口温度；T2-循环落水水箱温度；T3-换热循环管段末端温度；
太阳能加热循环采用温差强制循环的运行方式。
用户系统换热循环采用定温启动、温差停止水泵的循环方式。
低温防冻循环：自动检测屋面室外换热循环管段末端温度，当低于设定防冻温度时，换热水泵启动循环防冻。
太阳能加热系统采用落水防冻，不需要启动低温防冻循环。
控制器选择创意博CA0，CA1型工程控制器。
太阳能热水系统计量监测
设备的选择均参考《可再生能源建筑应用示范项目数据检测技术导则》为依据。
计量监测系统包括数据监测系统的建设、数据采集、数据传输等部分。
测试目的1：
由于太阳辐射和环境温度等系统工作驱动力在一日内不断变化，故系统工况始终处于非稳定状态，集热器在一天内运行工况由较低温度逐步向高温工况转变，其瞬时效率曲线是不断变化着的。集热器是太阳能热水系统的主要部件，太阳能热水系统集热性能可以用集热器瞬时效率来评价。
测试目的2：
本系统通过间接换热的方式，将上循环的热水与用户水箱的冷水进行换热，已达到用户用水温度要求，用户水箱的温度随着集热水箱温度的变化而变化，而集热水箱的温度变化取决于太阳辐射强度。太阳能热水系统供热性能可以用户用水日平均保证率来衡量。
测试目的3：
平均热损失系数在此定义为在系统停止运行一定时间内，单位时间、单位采光面积、太阳能落水水箱温度与环境测试之间温度的平均热量损失。通过热损失系数的测定可以确定太阳能热水系统导热特点。
测试目的4：
对于太阳能热水系统，由于管路较长，保温性能不是很理想，如果循环停止，热水停留在管路中，当外界环境温度低于管路中热水的温度时，热水通过管路对外散热降温，使其低于水箱中的贮水温度，因此，热水在管路中的停留时间以及热水停止循环次数直接影响到系统的的热量。
测试目的5：
考察不同楼层间是否存在水力失调情况，并用EQH系统热力平衡系数考察高层与低层是否存在热力失调情况。
测试系统可能存在的误差
（1）电网和静电干扰
（2）仪器设备误差
（3）人为误差
实际操作时遇到的问题
（1）用户入住后破坏了卫生间内的测量设备，使得数据中断；
（2）依据系统的设计预先选用的测试仪器并不太合适；
（3）对用户入住率考虑不全；
（4）系统本身的特殊性，无法设立用户水箱混水装置且未能在不破坏水箱结构的前提下对用户水箱的温度分层情况进行监测。
测试结果
监测结果表明通常情况下系统的集热效率可以维持在30%以上，太阳能保证率多在40%以上，太阳能保证率甚至可以超过70%，这对于节能是非常可观的。系统调试运行阶段的运行效果（太阳能保证率、用户热力平衡性等）要好于实际运行阶段，这是因为调试运行阶段入住的用户较少，系统运行工况与理论设计条件比较接近，而随着用户的陆续入住，系统的运行工况与理论设计条件的偏差加大，使得系统的实际性能要低于理论设计。
测试系统设计阶段的构想与测试实际情况差别很大，而用户的用水习惯对测试仪器的运行有很大的影响。在测试阶段，由于用户的配合及检修不易等种种原因，无法对仪器经常进行检修与维护，导致相当一部分测试数据无效。
太阳能热水系统监测、计量系统的实际意义
目前，太阳能热水器在建筑中已经得到了较大规模的应用，取得了良好的节能效益，太阳能热水系统与建筑一体化是当前太阳能热利用研究与推广的一个热点。另一方面，太阳能热水系统在建筑中规模化应用虽在逐渐增加，但是对系统长期运行性能的测试与评价依然较少。由于系统的实际运行性能与理论设计情况之间难免会有偏差，这就需要对太阳能热水系统的长期运行性能进行测试，了解系统的实际运行特点，为热水系统的性能改进提供参考意见，提高其实际运行效果，同时，也为太阳能系统迈向能源管理方向提供依据。
