严寒地区利用太阳能的多热源供暖系统自动控制技术研究

张宗团

(中铁城建集团有限公司 湖南长沙 410000)

1 引言

国际社会普遍认为减少碳排放已迫在眉睫，目前我国95%以上的建筑属于高能耗建筑，建筑能耗占全国能耗近30%，严寒地区冬季供暖能耗消耗尤为严重，因此近年来国家大力倡导发展新型供暖热源，利用太阳能供暖可降低供暖成本，是环保节能新措施。但严寒地区受限于冬季采暖期日均光照时间短，室外平均气温降低等影响，单一的太阳能无法完全满足建筑供暖需求，因此太阳能辅以其他热源形成的多热源供暖系统为严寒地区建筑供暖提供了新思路[1]。但因环境因素非规律性变化，导致各热源间的转换时刻难以准确把握；另外在太阳能和辅助热源共同使用时，需控制辅助热源的投入功率，才可降低供暖能耗[2]。以上这些措施如采用人工控制，不仅成本高、工作量大，而且精度低，无法形成系统化的供暖措施，造成太阳能供暖成本升高，使得太阳能技术难以推广，因此如何实现自动化控制是发展和推广太阳能多热源供暖技术的一项重要任务。本文从广义太阳能利用角度出发，结合兰州金诚铁路混凝土公司新建办公楼项目太阳能供暖工程，讨论在严寒地区利用太阳能的多热源供暖系统自动化控制的理念和措施。

2 工程背景

2.1 项目设计概况

兰州金诚铁路混凝土公司新建办公楼为3层框架体系结构，总建筑面积1 512.6 m2，供暖设计负荷为92.25 kW，因远离市区，无集中供暖管网和天然气管网，供暖热源初步设计为30套太阳能集热器+3台空气源热泵+1台35 kW功率可调电锅炉+1套太阳能电补系统[3]。

2.2 严寒地区环境条件和各热源设备综合分析

严寒地区冬季采暖周期长，期间外界因素如室外温度、白昼时长、光照强度等虽有循序渐进变化规律，但太阳能集热器、空气源热泵、电锅炉等在各阶段工作效果和使用成本不尽相同。在采暖期初期及末期，室外温度在-5℃左右，但在白天，光照较强，太阳能集热器的效率可达30%以上，出水温度在50℃以上[4]。通过保温措施加强白天高温水的储存，晴天天气下可完全满足供暖要求，但在采暖期中期，随着室外温度降低，日照时长缩短，集热器效率大大降低，出水温度将无法满足供暖需求，但这时空气源热泵出水温度可达55℃左右，效率值在2.3∶1左右，其使用成本远远低于电能[5]。电锅炉使用成本高，但可以在电路系统正常的情况下，全面消除天气等外界因素的影响，还可以在空气源热泵出水温度较低时作为补充热源，提供恒定的出水温度，保证供暖系统运行不间断，但电锅炉输出功率需按需投入，控制输出功率才能降低供暖成本[6]。太阳能集热器电补系统是一种新型产品，直接能量来源同电锅炉，因其独特设计，可直接在供暖系统总进水管上快速实现水温提升，有效补充前面热源出水温度不达标问题，保证系统能完全满足设计要求和供暖效果。

另外需要注意的是，在室外温度较低时，集热器及进出水管道内水结冰后会导致管道冻损等，应采取措施对其保护；且在偶遇极端天气时，需要对管道及设备进行防冻保护[7]。

3 多热源供暖系统自动化控制技术

3.1 严寒地区利用太阳能的多热源供暖系统自动控制的必要性

针对该项目热源设计种类复杂，为有效集合和最大发挥各热源优点，保证供暖效果，需克服外界环境条件变化规律非线性导致的难以通过简单的人为行动实现实时热源切换和相应热源输出功率大小的难题[8]，在充分研究该规律的基础上，结合对各种热源使用条件、能耗等分析，提出自动控制理念，才可在满足供暖要求的同时降低能耗。尤其在供暖期初期及末期遇阴雨天和雪天时，太阳能集热器效率将会大大降低，将无法满足供暖需求，需启动空气源热泵，不利天气过后，热源又需切换到集热器，同时在初期向中期及中期向末期过渡期内，太阳能集热器在白天的工作效率还是比较高，但昼间需启动空气源热泵。以上各热源转换和启停时间在没有严格意义界定区间的条件下，需对热源出水温度、系统供回水温度进行监测，并将监测温度记录反馈到自控中心(微电脑)后，通过计算机运行计算后输出热源启停信号，实现多热源供暖系统自动化控制。

3.2 自动控制原理及系统组成

通过前述分析，严寒地区多热源供暖系统热源启停和输出功率实现自动控制，需将温度作为控制对象，通过相应位置温度监测，评定正在工作的热源是否满足目前需要以及是否存在输出过剩情况，进而明确下一步控制目标。因此采取的自动控制主要措施为:接触器、继电器等电器元件控制电路系统，进而控制热源设备和水泵的启停，结合电磁阀对管道开闭进行控制[9]，另一方面通过传感器将温度信号传输到微电脑后经过其自动计算得知需要启停的热源功率，也通过接触器和空气开关启闭热源工作的数量和输出功率[10]。自动控制系统组成如图1所示。

图1 自动控制系统组成示意

微电脑控制中心是通过软件集成系统，将温度传感器输入的数字信号转换为模拟信号，按照预先设定的控制程序，计算后再输出信号，控制接触器吸合与分开，进而实现空气源热泵机组、管道增压泵、电磁阀等的电路系统控制[11]。

3.3 严寒地区利用太阳能的多热源供暖系统自动控制系统工作过程

(1)供暖初期阳光较充足，太阳能集热器将加热后的水注入高位膨胀水箱，膨胀水箱的水再注入换热水箱，当换热水箱供水管道上安装的温度传感器感测温度值低于设计供水温度时，控制空气源热泵和其管道上电磁阀启停的接触器吸合[12]，空气源热泵启动，当换热水箱供水管道上温度传感器感测温度低于设计供水温度，且回水管道上温度传感器感测温度值大于太阳能集热器回水管道上的温度传感器感测温度值时，控制太阳能集热器增压泵和其管道上电磁阀启停的接触器吸合，太阳能集热器停止运行，同样的道理，启动电锅炉、太阳能电补系统。

(2)供暖末期随着天气变热，光照强度逐渐变强，太阳能集热器效率回升，当供暖系统回水管道上温度传感器感测温度值大于设计回水温度时，太阳能电补系统接触器断开，太阳能电补系统停止运行，同样原理停止电锅炉，当供暖系统回水管道上温度传感器感测温度值大于设计回水温度，且室内温度传感器感测温度值大于设计值时，控制空气源热泵的接触器断开，空气源热泵停止运行，控制相应增压泵的接触器引起空气开关也断开，直到供暖期结束，自控系统总电源关闭。

(3)一般的采暖系统中，单台空气源热泵制热功率无法满足要求，并且需考虑到设备维修需要，在设备维修期间为不影响供暖系统使用，因此采暖系统设计时会配置几台同型号设备，另外电锅炉选用可调节使用功率类的，达到需多少开启多少，为了最大化地使用经济的太阳能资源，以及使用成本较低的空气源热泵，尽可能少使用或者不使用昂贵的电能[13]，在自动控制中加入了微电脑计算。在供暖初期，虽然太阳光照较强，但如遇阴天或光照减弱时，太阳能集热器的出水温度达不到供暖设计供水温度的要求，或系统回水管道温度值低于太阳能集热器加热后水的温度值时，这时需启动空气源热泵，多台空气源热泵全部启动必将使得回水温度过高，造成资源浪费，因此自控系统微电脑计算机将采暖系统回水管道温度值与设计值对比，计算温差和需要启动的热源功率，发出启动空气源热泵台数的信号；我们预先为空气源热泵编号，根据收到的启动信号有顺序、按需启动空气源热泵。相应的原理启动功率可调的电锅炉。

在供暖末期设备的启停和运行原理同上，下面以三台空气源热泵、一台可调功率的电锅炉和一组可调功率的太阳能集热器电补系统为热源说明具体的控制方式和过程。运行原理如图2所示。

图2 利用太阳能的多热源采暖系统运行原理

多热源供暖系统自动控制的具体运行过程如下:

首先我们根据设计数据，将供暖进水温度T、回水温度T0、设计供暖房间温度t输入微电脑系统，在采暖期来临时，开启采暖系统电源(自控系统电源同步开启)，B1泵自动启动，采暖系统开始供暖，相应传感器感测的温度值通过信号线传输到微电脑，微电脑自动计算。当T2≤T1时，B4、B2启动，微电脑输出常闭电磁阀开启信号并控制其打开，将采暖系统回水注入膨胀水箱，并经过太阳能集热器加热后进入供暖系统，向建筑物供暖。当T6＜T，T2＜T3时，B5启动，空气源热泵运行；当T6＜T，但T2＞T3时，B2、B4关闭，控制F1常闭电磁阀的继电器断开，蓄热水箱和换热水箱间不再进行水循环。当T2＜T0且T6＞T4时，B3启动，电锅炉运行，B5继续启动，空气源热泵依旧运行；当T2＜T0且T6＞T5时，电补系统继电器吸合，电补系统运行，B3、B5不停止。反过来当T2＞T0且T7＞t时电补系统继电器断开，同样原理停止电锅炉，若依旧T2＞T0且T7＞t时，B5停止运行，同时B2、B4启动，常闭电磁阀开启，供暖期结束后，自控系统关闭。

4 应用效果

兰州金诚铁路混凝土公司新建办公楼工程利用太阳能的多热源采暖系统，通过采用自动控制系统控制多热源的启停和输出功率，有效降低了供暖成本，统计自2015年10月投入使用以来数据，采暖期内室内温度可达24℃以上，每个采暖周期费用相比采用燃煤作为采暖热源可节约成本10万余元，同时节约人工成本2万余元，按照设备使用15年的寿命计算，总节约成本180余万元，且可减少环境污染。

5 结论

在严寒地区利用太阳能的多热源供暖系统中采用自动控制技术，我们取得了以下效果和结论:

(1)通过在管道等一定位置设置温度传感器，并将获得的信号经微电脑计算后输出，控制热源设备启停，克服了严寒地区因环境因素变化非线性规律导致各热源间转换时刻难以准确把握难题。

(2)在太阳能和辅助热源共同使用时，通过微电脑自动计算供暖实时负荷和所需投入能耗，控制辅助热源的投入功率，在最大化利用低能耗设备的同时避免了高能耗设备额外投入使用，降低供暖成本，消除了传统“看天烧煤”慢一步节奏的弊端，更节约了人工成本。

(3)该技术使得太阳能在严寒地区应用于采暖系统更加便捷经济，可加速太阳能的推广应用，而且在节能减排方面也具有重要意义。同时该技术还为利用地源热泵、生物质能等的多热源供暖系统中热源间如何互补利用提供了解决措施。