基于太阳能利用的地采暖实验平台设计与研究

曹宝文, 陈子坚， 王培宏

(1. 天津中德应用技术大学 新能源系, 天津 300350;2. 天津锐敏科技发展有限责任公司， 天津 300384)

1 概述

低温地板辐射采暖是一种以自然对流换热和辐射换热相结合的形式对室内进行供暖的方式,与传统的采暖方式相比,具有健康、舒适性好、节省空间、使用寿命长和节能等优点[1]。采用低温辐射进行采暖,是国内外普遍认为的理想供暖方式,是当下以节能环保为主题的应势发展之需[2]。目前地面辐射采暖的两个主要方式包括低温热水采暖和电采暖,很多学者对此进行了研究[3-4]。

太阳能作为一种人类可以利用的最丰富的清洁能源,已经成为各国学者的研究热点,很多国家将发展太阳能利用技术作为可持续发展的重要途径。利用太阳能作为低温热源的地采暖系统是节能减排的一个有效途径,但由于太阳能的不稳定性,需要采用其他方式补充热量。对此,很多学者进行了大量研究。例如QU S和MA F将水源热泵作为太阳能热水系统的辅助热源,来提高太阳能热源的稳定性,并验证了该方法是一种高效的采暖方式[5]。 ZHAO M等人针对太阳能冬季低能量密度的特点,在传统光热地采暖的基础上,使用相变储热器存储热量,采用较低的水温通过毛细管进行辐射加热,创造出良好舒适的室温环境[6]。MA H等人设计并建立了一套太阳能地下热泵单元用于地采暖,将地下水作为循环介质,与传统集中供热系统在相同的室内外环境下进行了对比,节能率可以达到18.96%,同时满足供热的稳定性和舒适性[7]。大量文献研究表明,太阳能技术具有良好的发电、发热效率和显著的节能效果,具有广阔的应用前景。但是,Bai等人认为传统的太阳能低温地采暖系统比传统的燃煤锅炉和电暖炉供暖,在经济性方面不存在优势[8]。Zhang等人提出将光伏光热技术结合形成一体化的系统,太阳能电源部分用于为自身供电,并可对外输出电能,太阳能热源部分用于产生热能,节能效果将进一步提高,以便提高太阳能系统的经济性[9]。

另外,传统PID(比例proportion、积分integration、微分differentiation)温度控制器的参数Kp、Ki、Kd在控制系统运行中一般是固定的,不易进行在线调整,所以在惯性大且滞后现象比较严重的温度控制系统中,温控效果很难达到最优[10]。GUAN Z等人将PID控制和模糊控制算法相结合,通过MATLAB进行建模和仿真分析表明,模糊自整定PID控制器可以提高温度控制系统的性能[11]。即使在不同工作系统条件下,使用模糊PID算法也可以使温度控制系统保持很好的控制品质[12]。例如,在被控量长时间延迟和大惯性的锅炉主蒸汽温度控制系统中,主蒸汽流量、热水流量和烟气温度等都会影响主蒸汽温度,通过设计模糊自整定PID控制器,可以实现PID控制器参数的在线自调,仿真结果表明,此控制方法可以获得较小的超调和较短的调节时间[13]。而对于更加复杂的温度控制系统,可以整合其他优化算法,例如将BP(Back Propagation)神经网络和模糊PID算法相结合,进行温度的预测控制[14]；将Smith预估控制和模糊PID相结合,实现温度的精确控制,GU Q等人将此技术应用到电锅炉温控系统中,并获得良好的效果[15]。

本研究提出了基于太阳能利用技术的地采暖系统,并对其进行系统设计、实验设计、数据分析,以验证本研究提出的地采暖系统相对于传统的地采暖系统,从人体舒适程度和太阳能节能性等方面进一步提高了采暖系统的性能。

2 系统设计

现有技术中已有采用发热电缆进行地采暖的系统,其发热电缆通常需要AC220V供电,通过温控器控制室内温度,当室内温度不能达到设定值时,发热电缆上电发热,当室内温度高于一定温度时,停止发热。这种温度控制方式精度不高,并且由于控制发热电缆启停的开关经常动作,降低了使用寿命。此外,现有的交流发热电缆产生的电磁波,会对人体健康产生影响。针对这个现象,本文采用直流发热电缆,并进行了系统设计,直流发热电缆可以使用符合要求的直流电伴热替代。本系统的设计思路是将光热地采暖系统和光电地采暖系统结合在一起,形成双系统协调运行。地采暖系统总体设计图如图1所示,光热地采暖系统利用集热器将太阳能转换成热能,通过敷设在地板中的水管加热地面进行供暖；光电地采暖系统使用光伏发电供直流发热电缆以提供热量。直流发热电缆和水管相互交织并均匀地敷设在室内地面上,室内安装有温湿度传感器,室内温度可以进行设定与控制。

图1 地采暖系统总体设计图

在光热地采暖系统中,水管中的热水来源于水箱,通过供热水泵提供循环动力。供热回路上安装有电动调节阀、流量变送器和热电偶。电动调节阀接受控制器指令,实现模糊PID调节。另外一个回路是集热回路,集热器将太阳能热能通过水循环传递给水箱,集热水泵提供集热回路的循环动力,集热回路上还安装有流量变送器和热电偶。两个回路上的热电偶和流量变送器用于温度、流量和能量数据的采集和监控。水箱中还安装有液位变送器和补水电磁阀,控制器会实时采集水箱液位数据,当液位过低时会自动开启补水电磁阀进行补水。室内安装有温湿度传感器,用于采集温湿度信号,参与模糊PID控制。

在光电地采暖系统中,直流发热电缆的供电来自于光伏系统,光伏系统输出48 V直流电,通过直流稳压电源将不稳恒电压转换成DC48 V，连接直流调压器,控制器可计算出光电地采暖系统需要提供的热量,从而得出直流发热电缆需要的输出功率。直流调压器接收控制器的模拟量指令,通过PWM方法改变直流发热电缆的输出功率,从而实现温度精确控制。蓄电池并联在直流稳压电源出口处,光伏发电系统可以对蓄电池进行浮充充电。蓄电池还为控制系统提供DC48 V和DC24 V电源。光伏发电回路并联出一个回路接逆变器,将DC48 V转换成AC220 V,为控制系统提供交流电。220 V市电可以通过充电器,将交流电转换成直流电，直接为蓄电池充电,或者接直流调压器为直流发热电缆供电。供电回路中的电流互感器(A1—A3)和电压互感器(V1—V3)用于电流和电压的监测,通过监测数据判定系统是否正常运行。整个光伏供电回路安装有多个断路器(K1—K5)、接触器(KM1—KM5),用于远程控制、自动控制和手动控制。

本系统研发了模糊PID控制器,可以对整个供热系统进行监测和控制。控制器包含DO、AI、AO端口、电源端口和RS485通信端口,如图2所示。

图2 电气控制原理图(1)

DO端口输出控制器数字量指令,控制相应接触器的通断,每个接触器都对应一个指示灯来显示接触器的通断。KM1—KM3线圈的供电电源,来自蓄电池输出的48 V直流电,KM4和KM5线圈的供电电源来自市电转直流,原因是KM4和KM5控制市电接充电器后,对蓄电池进行充电和为直流发热电缆供电,这部分供电需要脱离光伏发电系统,防止长期因太阳能不足导致系统无法启动。KM6—KM8的供电电源来自逆变器输出的220 V交流电；AI端口用于采集模拟量信号,包括回路上的直流电压和电流信号、液位变送器信号、室内温湿度传感器信号、集热回路和供热回路上的温度和流量信号以及电动调节阀的开度反馈信号；AO1端口将控制器计算得出的模拟量信号输出给直流调压器,模拟量信号对应直流调压器的输出电压,它们的关系基本线性,从而实现高精度的温度控制；AO2端口用于输出电动调节阀的开度指令,控制器通过模糊PID算法,可以根据设定温度和实际温度改变供热回路上电动调节阀的开度,从而实现温度控制；控制器可以采集和监控光热地采暖系统和光电地采暖系统的运行时间；电源端口为控制器提供来自蓄电池的24 V直流电,同时还为触摸屏供电；控制器和触摸屏通过RS485通信端口,进行数据互传和共享,触摸屏上可以实时监测整个系统的各采集数值,同时可以接受用户指令,进行阀门开度控制和接触器的通断控制。K10是控制系统电源回路上的直流断路器,用于控制系统的手动投切。

如图3所示,逆变器为集热水泵、供热水泵和补水电磁阀提供220 V交流电,K9是总交流断路器,K6—K8是每一个分支上的交流断路器,KM6—KM8是每个分支上的交流接触器,当图2中的KM6—KM8线圈得电后会闭合,从而启动相应设备。

图3 电气控制原理图(2)

3 模糊PID控制系统设计

由于采用双系统协调运行,控制策略的设计尤为重要,既要合理高效使用太阳能,提高温度控制精度,又要方便控制。本系统利用模糊PID算法,对控制器中的Kp、Ki、Kd进行优化,如图4所示。

图4 模糊PID控制器模型

从模糊PID控制器模型可以看出,通过温度设定值和室内温度(此时和上一时刻)的采集得到温度偏差e和温度偏差变化率ec,e和ec经过模糊化得到输入量的模糊子集,再经过模糊规则得到ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊子集,最后经过精确化得到精确值,并分别和传统PID控制器的Kp、Ki和Kd进行加和,作为新的控制参数参与调节,输出AO2信号给电动调节阀,改变其开度。模糊规则整定后的PID控制器参数表达式为：

(1)

式中,Kp、Ki、Kd为PID控制器的参数最终值；Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器的参数初始值；ΔKp、ΔKi、ΔKd为PID控制器的参数修定值；ρp、ρi、ρd为各参数比例因子。最后PID控制器的控制量公式为：

Kd(τ)[e(τ)-e(τ-1)]

(2)

其中,e(τ)为τ时刻的系统偏差,也就是τ时刻的室内温度和温度设定值的偏差；e(β)为β时刻的系统偏差,也就是β时刻的室内温度和温度设定值的偏差；e(τ-1)为τ-1时刻的系统偏差,也就是τ-1时刻的室内温度和温度设定值的偏差；Kp(τ)、Ki(τ)和Kd(τ)分别是τ时刻PID控制器的参数最终值；u(τ)为τ时刻的控制系统输出,用于改变电动调节阀的开度；τ为控制器运行的某一时刻,s。

控制模型中加入了隶属度函数,隶属度函数表示精确值和模糊集合之间的隶属关系,温度偏差e和温度偏差变化率ec要通过隶属度的选择来确定组合,ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊集合和隶属度函数共同确定ΔKp、ΔKi和ΔKd的精确值,各变量的模糊子集均为 {NB负大,NM负中,NS负小,ZO零,PS正小,PM正中,PB正大},隶属度函数通常使用三角函数定义。

图4中的模糊规则依据日常运行经验和人脑思维进行设计,一般来说,当e较大时,应增加Kp使温度快速达到设定值,同时减小Ki和Kd,以防止稳定性下降；当e和ec为中等时,应减小Kp防止超调,适当增大Ki并选择合适的Kd；当e较小时,应增大Ki以消除稳态误差,此时如果ec较大,应该减小Kd防止发生振荡现象。

本研究的控制策略是优先使用光热地采暖系统。通过模糊PID算法,调节电动调节阀的开度,来控制室内温度。如果电动调节阀全开,室内温度依然不能满足需求,说明此时光热地采暖系统的供给能量不足,需要光电地采暖系统进行补充。控制器将计算出光电地采暖系统需要的输出功率,通过直流调压器调节直流发热电缆的输出功率,从而调节室内温度。若极端情况下,室内温度仍不能达到设定温度,则需要使用市电接充电器为直流发热电缆供电,再通过直流调压器进行调节。这里的设定温度是一个允许范围,室内温度不在此范围内才进行调节,这样可以降低系统频繁的动作和调节,提高稳定性。此外,主程序流程图中的温度改变和调节过程,例如运行光热地采暖系统、模糊PID调节电动调节阀的开度、运行光电地采暖系统、直流调压器调节直流发热电缆输出功率、使用市电经充电器供直流发热电缆等,需要在程序中设置延时,当室内温度趋于稳定后再进行下一步骤,主程序流程图如图5所示。

4 实验系统测试

本实验系统的实验目的是通过实验手段,获得本研究所提出的地采暖系统室内的温度分布特性,在此基础上进一步评价该采暖方式的热舒适性和节能性等指标。

4.1 实验系统设计

利用采暖测试室进行本系统实验,如图6和图7所示,图中所有尺寸单位均为mm。采暖测试室的长、宽、高分别为5 000 mm、5 000 mm和2 800 mm,同时将室内的水平方向平均分为25个区域,以每块划分区域的中心位置作为测试点。在室内的垂直方向上布置测试点,室内整个空间划分为5层,高度依次为距离地面0、600、1 200、1 800、2 400 mm,每层共放置25个测试点,共计125个测试点。

4.2 实验过程及数据分析

通过使用热电偶和数据采集器,对本研究提出的地采暖系统进行实验测试。当系统运行稳定,室内温度已达到稳定值后,开始进行实验数据采集,数据采集器的采集周期为60 s,取稳定后0.5 h之内的平均值作为实验最终数据,记录所有数据作为实验分析依据。

图5 主程序流程图

图6 实验测试点水平分布图

图7 实验测试点垂直分布图

图8至图12显示了不同位置的温度分布。

图8 室内温度分布图(0 mm)

图9 室内温度分布图(600 mm)

图10 室内温度分布图(1 200 mm)

图11 室内温度分布图(1 800 mm)

图12 室内温度分布图(2 400 mm)

从图8中可以看出,由于室内地板表面靠近热源,所以室内地板表面温度分布要明显高于其他地方,温度分布的方差达到3.51,说明温度具有很强的不均匀性,热舒适度较差,其原因在于靠近水管和发热电缆的温度测点,其检测温度必然高于其他测点。从图9至图11中可以看出,随着测试点高度的增加,温度缓慢下降。每层温度分布方差分别为0.129、0.127、0.132,温度梯度变化不大。图12显示了2 400 mm高度处的温度分布,温度分布方差又增大到0.19,说明靠近天花板处由于散热的不均匀性,导致温度分布变得不理想。综上所述,600 mm到1 800 mm处温度均匀性最好,热舒适性最好。

由于直流发热电缆的热响应快而热水的散热过程较慢,双系统运行可以提高供热的稳定性及系统的运行效率。在相同的测试时间内,本研究提出的地采暖系统相对于水地暖系统,加热速度快,耗能大大降低,整个房间的温度均匀性和热舒适性完全可以满足人们的需要。

5 结语

水地暖和电地暖作为两种不同热源的地采暖方式,各有优点和缺陷。本系统将清洁环保的太阳能利用技术应用在地采暖系统上,来实现室内温度的控制与调节,充分体现了新能源的综合利用。直流发热电缆和热水管路的敷设保证了供热的稳定性,同时又不缺乏灵活性。直流发热电缆取代传统的交流发热电缆,安全、舒适、健康又方便地进行温度控制,使用直流调压器可以精确地控制直流发热电缆的输出功率,大大提高了控制精度,并减少了开关的动作次数。自供电设计可以使系统在离网状态下稳定运行,只有在极端天气下才需要使用市电进行临时供电,同时还可以利用谷电为蓄电池充电,提高了能源利用效率,节约了能源。本系统通过模糊PID算法调节电动调节阀的开度,来控制室内温度,将其精准控制在设定范围之内,保证室内的舒适度与系统的节能性。在不需要采暖的情况下,可将本系统的多余能量进行存储或用于基本生活用能。本系统使用方便有效,整个控制系统设计清晰明了,可以通过触摸屏进行监控和人机交互。此外,该系统还可应用于新能源专业的实验实训教学,是一套功能齐全、理论和实操一体化的实训装置。