一种强制循环太阳能热水系统的流量控制方法探讨

杨一栋

（甘肃自然能源研究所，甘肃 兰州 730046）

甘肃省年太阳能总储量为72 万亿kW，是我国第二大太阳能资源丰富区，有巨大的开发利用潜力[1]。太阳能热水系统具有良好的稳定性、经济性和环保性，是主要的太阳能热利用方式，从户用太阳能热水器到中、大型太阳能热水系统都得到了广泛应用。强制循环式太阳能热水系统因集热效率较高而备受用户信赖，其中循环水泵是热量传输的关键设备,也是系统日常运行耗电最多的设备,因此，循环水泵的耗电量直接关系到整个太阳能热水系统的运行成本。

本文针对强制循环太阳能热水系统的流量恒定循环易造成常规电能浪费的问题，基于PLC（可编程控制器）的模糊PID 控制和变频调速技术，提出一种随着不同太阳辐射值动态变化的强制循环太阳能热水流量控制方法，使循环水泵的功率按照“实时、可调、智能”的工况优化运行，提高系统的集热效率，使节能技术更加节能。

1 现有太阳能热水系统的流量控制方法分析

1.1 现有系统流量控制方法

强制循环太阳能热水系统中循环流量参数至为关键，直接影响系统的效率，同时需要考虑季节、天气、时刻和地域等因素。目前广泛应用的太阳能热水系统的控制部分不能同步季节或每日太阳辐照度的实时变化。系统的流量控制方法有以下3 种：

（1）时间控制方式即控制系统设定好时间，循环水泵白天开启晚上关闭，这种方式水泵运行与太阳辐射强度、日照、集热器温度无关，即使在阴雨天气情况下也是固定运转。

（2）温差控制方式是利用集热器和储热水箱的温差控制，当温差小于设定值时，循环水泵不启动，集热器和储热水箱不换热，当温差大于设定值时循环水泵启动，集热器和储热水箱换热，如此不断循环换热。

（3）光控控制方式是采用光控装置检测太阳辐射强度来控制水泵的开启和停止，当低于设定光控仪阈值水泵停止，高于光控仪设定阈值水泵启动，水泵转速和流量不会随每天不同时段太阳辐射强度的变化而变化。

1.2 现有系统流量控制方法的局限性

（1）时间控制方式采用时间继电器和中间继电器组合控制，只是单纯的时间控制，即白天运行和夜晚停止，循环水泵流量的设计按全年太阳辐射平均值选取，致使循环水泵运行与日照、太阳辐射强度及集热器得热量无关，常常在日照较弱或无日照的阴雨天情况下也按额定转速运行水泵，造成无效运行，浪费电能，或者使热水系统效率降低。

（2）温差控制方式是利用集热器和水箱温差控制，当温差小于设定值时，循环水泵不启动，当温差大于设定值时循环水泵启动，使集热器和储热装置换热，这种控制方式室外布置测点较多，控制复杂，故障率高，水泵频繁启停，控制不够精细，系统节能效果一般。

（3）光控控制方式是应用光控装置检测太阳辐照度来控制水泵的开启和停止，当太阳辐照度低于设定光控仪阈值时水泵停止，高于光控仪设定阈值时水泵启动，光控仪只检测太阳辐射强度，与继电器配合控制水泵开启和停止，在开启的阈值范围值中，水泵一直固定转速运行，虽然解决了太阳辐照度过小时停止运行，减少无效或效率太低运行情况，但启动运行后水泵转速和流量不会随太阳辐照度实时变化，水泵不能变速运行，导致运行能耗也较大。

有学者提出在终端配水点处加设简易的水流指示器，或在最不利配水点安设感温元件来自动控制循环水泵启停[2]；也有学者研究了光伏直驱式热水系统流量模型特性，并得知光伏分组连接方式可作为热水系统首选的连接方式[3]，但当前未有将太阳辐射变化同光控技术、PLC 以及变频调速等技术融合一起来控制循环泵调节换热流量的设计方法。强制循环太阳能热水系统中水泵的流量和太阳辐射强度有最佳对应关系，太阳能热水系统的进出水温差直接反映太阳辐射强度，根据不同温差让水泵转速变化，让水泵流量与每天不同太阳辐射强度相适应，工作在最经济的工况下就会有明显的节能效果。

2 一种新的流量控制方法

2.1 流量控制方法思路

本文提出的流量控制设计方法是针对现有技术的不足，基于太阳辐射随季节和每天时刻在不断变化，利用太阳辐射和供回水温度之间的逻辑关系，通过检测供回水温度，使系统换热流量随太阳辐射实时变化的一种适用于强制循环太阳能热水系统的流量控制设计方法。如图1 所示。

图1 太阳能热水系统示意图

本方法通过检测供回水的温度，分析设定值与实际接收的检测值信号偏差以及偏差的变化率，应用模糊PID 参数控制算法，经模糊推理，获得相应的输出变量，再用该参数精确地控制变频器输出，水泵转速改变，循环流量随输出变化，水泵功率随之变化，太阳能热水系统控制更加精准，提高太阳能热水系统的热效率，改善循环水泵全天定功率运行的工况，达到节约电能效果。

2.2 流量控制方法的结构

本设计结构是利用光电转换、PLC（可编程控制器，含模糊PID 控制单元模块）和变频调速技术的集成。在控制系统中配备光控探头，接收不同强度的太阳辐射后把光信号转换成不同电信号传给控制系统，应用控制系统中的PLC 开定时控制和关量功能，按设定的时间和太阳辐射强度值（阈值），联合控制系统每天的启停时间。如图2 所示。

图2 流量控制方法结构简图

阈值达到系统开启期间，在闭环模糊PID 控制单元中，检测太阳能热水系统的供水和回水温度，得到供回水温差值，将供回水温度的温差作为模糊PID 控制的输入量，在采样周期内计算出设定值和实测温差值的偏差和偏差变化率，经模糊推理获得相应输出变量参数，用该参数控制系统输出，从而控制变频器和电动机转速，调节循环水泵的输出流量，改变被控水泵的功率，降低水泵能耗。

2.3 流量控制结构的实现

当光敏探头接收太阳辐射，经过变送器得到不同太阳辐照度下的不同强度信号，完成太阳辐射的采集，转化成不同电流。不同电流输入PLC，依靠PLC 开关量和定时控制功能，控制系统可以使太阳辐射强度达不到设定值（阈值）时，水泵不启动，达到设定值（阈值）时启动。如图3 所示。

图3 模糊PID 流量控制结构原理图

达到设定值（阈值）系统启动时，PLC 内置闭环模糊PID 控制单元模块，模糊PID 控制单元设定值是太阳能热水系统设计供回水温差信号值r，由于太阳辐照度变化，在不同辐照度下实际监测供回水差值不同，温度监测器检测太阳能热水系统的供回水温度变化，得到实际供回水监测温差信号值为反馈值y，反馈给模糊控制系统得到设定值和监测值得计算偏差e=r-y，采用二维模糊控制，模糊PID 控制单元模块的输入值为偏差值e和偏差的变化率ec=de/dt，应用模糊PID 参数控制算法，经模糊推理获得相应输出变量参数u，再用该参数精确地控制系统输出，即控制PWM 电路的占空比，从而得到相应的4～20mA 控制电流输入到变频器，控制变频器频率和电机转速，既控制循环水泵转速，在保持设定扬程下，循环水泵的流量变化，循环水泵功率随之变化。变频控制器在调速范围内调整水泵转速，达到调节循环泵的流量目的。

3 结束语

本文中强制循环太阳能热水系统中水泵的流量和太阳辐射强度有最佳对应关系，太阳能热水系统的进出水温差直接反映太阳辐射强度，根据不同温差让水泵转速变化，使水泵流量与实时太阳辐射值相匹配，热水系统工作在最优化的工况下，同时，兼顾热水系统选型、管路安装和系统连接等因素，在系统设计、安装和运行维护等环节综合考虑此项太阳能热利用技术的节能与节水。

随着我国建筑节能技术的不断进步，绿色、生态成为建筑技术的发展趋势，建筑设备的智能化是建筑节能技术的重要组成部分，不断完善建筑中应用太阳能等可再生能源技术的能源管理监管系统，为实现绿色、环保的建筑提供有力的技术支撑。