基于外部条件控制的多能源热水系统的控制器设计

黄建优

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

多能源热水系统指的是采用非单一能源进行加热产水，然后将热水储存至水箱，再通过管道输送至用户用水端的系统。目前该系统多用于集中供水的酒店、学校、医院等大型商用或公共场所使用。随着国内居民生活水平的提高，以及国家对节能环保要求的提高，现在也出现了一些家用的多能源热水系统，这类家用多能源热水系统多用于大户型或者是别墅型这类需要大量热水使用的应用场景。目前国内外已有部分热水器厂家已经生产出了一些多能源热水系统产品，该类产品一般都包含有平面型太阳能集热板、热泵热水器、燃气两用炉、燃气热水器等几种能源的组合。该类多能源热水系统的开发通常需要热水器整机厂投入研发的部分有：①热力系统的设计研发；②中央控制器的设计研发；③单机系统控制器的设计研发。由于要使得系统中的各单机系统受中央控制的控制，因此热水器整机厂家需要对每个单机产品进行控制器重新开发，通常的控制方式是采用通信协议的方式控制。而且一般的热水器整机厂很难达到涵盖到所有品类产品的研发，各大整机厂的技术强项往往只在于几个产品类别，因此势必造成了热水器整机厂研发的难度大，研发的投入大。而对于用户而言，由于该类产品属于同一品牌厂家开发，因此一般都需要客户成套购买、安装及调试，初期购置成本高，后期维护也不方便，单机产品也无法根据客户的需求进行品牌自由选择。开发控制系统难度大等难题一直困扰着广大整机厂，也使得该类节能环保产品无法大力推广应用。

1 方案设计

1.1 方案原理概述

本方案多机控制系统中设计有一个中央控制器，该中央控制器独立于单机系统外部，该中央控制器用于收集热水系统中的一些运行参数：储水水箱的温度，太阳能热水器集热板的温度，太阳能热水器循环换热器管路、热泵热水器循环换热管路、燃气热水器循环换热管路中的水流信号等[1]；同时中央控制器还有用于：控制太阳能热水器循环换热管路的水泵启动、控制燃气热水器循环换热管路的水泵启动的继电器电路等，中央控制器还有用于输出模拟电压信号到热泵热水器温度传感器的接口[2]。通过中央控制器采集储水水箱的温度，从而输出控制条件给各单机系统，使该多能源系统以最优化能源组合方式进行运转，从而达到节能环保的目的。

1.1.1 燃气热水器的工作启动条件

燃气热水器在工作时，必须要满足一定的条件时燃气热水器才会启动加热或停止加热。燃气热水器的工作条件为：①燃气热水器进水温度要小于燃气热水器设置温度；②燃气热水器有水流流过；③燃气热水器处于非故障状态下。如果条件满足则燃气热水器启动加热流程，对流经燃气热水器的水流进行加热。当无水流流过燃气热水器或者出水温度高于设置温度，则燃气热水器会停止加热，停止运行。以上水流信号、进水和设置温度信号即燃气热水器的外部启动/停止条件。

1.1.2 热泵热水器的工作启动条件

热泵热水器在工作时，必须要满足一定的条件时热泵热水器才会启动加热或停止加热。热泵热水器工作的条件为：①热泵热水器加热输出的热水温度值小于热泵热水器设定的温度值；②热泵热水器处理非故障状态下。如果条件满足则热泵热水器启动加热流程，对流经热泵热水器的水流进行加热。当加热输出的温度值大于设定温度值时，则热泵热水器会停止加热。以上加热输出水温温度信号即热泵热水器的外部启动/停止条件。

1.1.3 太阳能热水器的工作启动条件

太阳能热水器在工作时，主要检测太阳能热水器集热板的温度与储水水箱设置温度的温差，如果太阳能热水器集热板温度大于水箱设置温度的温差，启动太阳能热水器循环水泵进行换热，将太阳能热水器中的热水输入至储水水箱。当太阳能热水器集热板中的水温小于集水水箱中的温度时，停止换热。由于太阳能热水器系统属清洁能源，制热过程不会产生能耗，同时也无法控制制热，因此太阳能热水器系统没有外部启动条件，在热水系统中是一直运行的，只要太阳能热水器集热板与储水水箱设置温度产生了温差就可以进行换热。

1.2 热力系统

本方案的热力系统主要包含有以下部分（如图1所示）：①储水水箱；②太阳能加热系统；③热泵加热系统；④燃气热水器加热系统；⑤回水系统；⑥连接管路系统。

热力系统包含有储水水箱，其作用主要用于单机系统的换热，储存热水，冷水及热水的输入输出的功能。单机系统将储水水箱内的低温冷水通过管路循环至单机系统并进行加热，然后再通过管路循环将加热后的热水输出至储水水箱，完成换热循环。

各单机系统均不做任何设计及改动，仅以外部条件来使各单机系统进行启动/停止控制，当单机系统运行后即可完成制热水的功能。

1.3 中央控制器

本方案所描述的一种热水系统的多机控制装置，包括有一个中央控制器，其中央控制器包含有以下电路单元（如图2所示）：①电源模块；②中央处理器单元；③水流开关检测模块；④水箱进水水流量传感器检测模块；⑤水箱水温传感器检测模块；⑥太阳能温度传感器检测模块；⑦模拟热泵温度电压信号输出；⑧太阳能循环水泵驱动模块；⑨燃气热水器循环水泵驱动模块；⑩出水回流循环水泵驱动模块；[11]显示板通信模块。

图1 热力系统框图

本方案通过中央控制器处理单元计算水箱水温的数据，通过模拟输出各单机系统所需要的启动信号，可以控制以下系统的运行：①通过中央控制系统可以控制燃气热水器外部循环水泵来使燃气热水器单机启动或停止加热；②通过中央控制器系统可以模拟温度值电压信号（表1）可以控制热泵热水器单机启动或停止加热；③通过中央控制器系统可以控制太阳能热水器外部循环水泵来使太阳能热水器单机启动或停止加热；④再通过连接管路将各单机系统中的热量输送至储水水箱中，从而实现对各单机统一调配及控制。

2 测试验证

传统的多机热水系统的设计必须通过以下的方法：开发一款中央控制器，通过该控制器上的通信接口与每台热水器单机连接，通过该控制器与热水器间的控制协议来实现对热水器单机的控制。通过以上方法可以实现中央控制器对单机热水器的控制，但这样实现的话，存在几个题：①中央控制器需要重新开发硬件且预留各个单机的通信接口；②单机热水器需要重新开发硬件，预留与控制器通信的接口；③需要开发专用的通信控制协议。而且通过以上方法开发的控制系统非常受限，只能使用一些固定的机型（带有外部控制功能）；且由于控制协议的受限（各种产品间不通用），这种控制方法多用于一个厂家生产的产品，无法兼容市场上其它品牌的产品，这样极大的限制了该类产品的市场推广（一般厂商无法做到所有产品自制，这样就会限制该类产品的应用）。

显而易见的，传统的设计方案，需要消耗大量的开发费用及资源，且适用性非常差。而通过本技术方案所研发的控制器方案，研发投入非常低，对系统的改造小，适应性强。

本技术方案通过外部条件的控制方案，组建了实验测试环境，并对外部控制条件进行了各种工况下的启动-停止验证，充分的验证了控制方案的可行性（图3）。

图2 中央控制器系统框图

表1 中央控制器输出电压DAC对应热泵热水器温度表

3 结语

传统的方案，系统复杂，技术难度大，开发周期长。而且系统的兼容性差，系统灵活性差，不适用于家用客户订制化产品的开发，仅能适用于商用产品的环境，这大大的限制了该类产品在实际应用中的推广。而本技术方案结构简单，对原有水系统的管路设计部分不做任何改动，使得系统方案可实施性高，整体系统投入费用少，用户体验更好。