太阳能工程控制和远程监控系统简析

0 前言

　　太阳能工程经过近几年的发展，已经形成了一种较为统一的工程模式，在这个发展过程中，太阳能工程控制系统作为工程的大脑，其发展也日渐多元化。在工程控制类型上，已经从单一控制一个系统到中央系统与各个子系统之间的联动；在通信模式上，已经从简单的人机对话发展到远程监控。

　　1 太阳能工程控制器

　　针对现有的太阳能工程规模及类型，我们将控制器分成3种类型：第1类：太阳能中央控制器；第2类：网络型控制器；第3类：太阳能远程监控平台。下文将对以上3种类型的控制器做出详细的介绍。

　　1 太阳能工程中央控制器

　　太阳能工程中央控制器是最传统的控制器，根据太阳能热水系统的类型可以分为单水箱系统、双水箱系统、普通换热系统、集分换热系统、自定义控制系统。

　　1.1单水箱系统

　　单水箱系统是最简单、最基本的太阳能热水系统，如图1所示，从功能上可以分为集热循环、辅助加热、供水循环、上水、防冻等。

图1 单水箱系统图

　　1.集热循环

　　一般是指太阳能集热器与水箱之间的温差循环，是通过温差而控制的循环。温差是指太阳能集热器与水箱之间的温差。温差循环的关键是选择的温度点是否能代表真正的太阳能集热器温度，由于太阳能集热器串并联的支路非常多，偏流的可能性很大，一个点的温度不一定能真正代表整个阵列的温度，因此建议选择两个温差动作同时有效，以保障可靠的温差循环，其中一个温度点最好选择在太阳能集热器总回水上，这样更能体现太阳能集热器温度的综合值。

　　2.辅助加热

　　对于辅助加热，一般是控制器选择在何种条件下辅助加热设备的介入，并达到何种条件停止。一般条件下，是由水箱温度控制辅助加热的启停。辅助加热最好加入时间因子，时间因子分为周期模式和定时段模式2种。对于水箱的辅助加热温度应该既能满足水箱的最低供水要求，又能给太阳能加热系统留下加热空间。

　　对水箱辅助加热的温度一般有以下3种：

　　第1种，低温加热，让水箱维持一定的温度，满足供水的最低要求，这样既可以在太阳能热水系统需要集热时有充分的加热空间，又能在用水高峰来临之前有过大的热量差，使得加热时间过长。

　　第2种，定时段加热，在用水高峰时段反复加热使水箱始终保持一定温度，保证连续供水，这种模式适用于宾馆。

　　第3种，定时加热，从某个时间点开始将水温加热到一个相对较高的温度，不再加热，这种模式适合于一次性供水的集体浴室。

　　3.供水循环

　　供水循环是指热水的供应方式以及供应的依据，具体分为定温循环、定时循环以及定时定温循环3种，有时也会使用与集热循环类似的温差循环。

　　4.上水

　　上水是一项非常重要的功能，何时给水箱加水，让水箱保持何种水温，既要保证热水的供应，又要给太阳能加热系统留下足够的加热空间。

　　5.防冻

　　我国北方大部分区域需要进行管道防冻。防冻的方式有排空、循环和伴热。防冻循环就是要用最小的代价来保证管道不被冻坏。传统的方式是检测管道的温度，通过循环的方式来保证管道的温度，但对于不能实现循环的管道，如自来水管道不能进行循环防冻，那就需要使用伴热带进行防冻，针对伴热带的使用引入环境温度，根据环境温度确定防冻等级，根据防冻等级确定伴热带的启动周期和频率。

　　1.2双水箱系统

　　使用双水箱的作用一方面是分担建筑的荷载；另一方面也可以分出一个恒温水箱，降低辅助加热的功率，既可以给太阳能加热系统留下足够的空间，又可以让热水来得更快一点。

　　双水箱比单水箱的特点：

　　1.要控制2个水箱的水位，并有2个上水动作点；

　　2.根据用水特点，灵活地变换两个水箱的连接方式；

　　3.合理计算恒温水箱和储热水箱以及辅助加热功率之间的关系。双水箱系统如图2所示。

图2 双水箱系统

　　1.3普通换热系统

　　对于大型太阳能热水系统的运行，如何防止系统产生水垢，以尽可能地减缓系统集热效率的衰减是极其重要的问题。因此使用换热器可以有效解太阳能决集热系统的结垢问题，同时换热器还提供了一个万能接口，可以和其他的热能设备对接，使太阳能热水系统在工业热利用方面变得非常可行。

　　普通换热系统工程（如图3所示）中，缓冲水箱的设计是非常重要的，由于它的热量最终是得不到利用的，容量过大会影响集热效率，正常容量应该是大于系统50℃温升的膨胀量的2倍。

　　在进行系统控制时应注意2个问题：

　　1.由于缓冲水箱容量过小，使得缓冲水箱与太阳能集热器之间的温差会在水箱启动之后很短的时间就为0了，不能实现连续的集热循环。集热循环的模式最好使用定温循环，定温循环可以依据太阳能集热器温度或缓冲水箱的温度。真正的集热循环则需要比较缓冲水箱和储热水箱之间的温差，控制换热器两侧的水泵进行实现。

　　2.为了充分保证电加热管不受水垢的影响，可以将电加热管放在缓冲水箱里，通过换热的模式实现电加热。

图3 普通换热系统

　　1.4自定义控制系统

　　任何固定模式的控制器，都不能满足工程师对特殊项目的要求，而且很多工程师有自己比较独特的系统流程，我们需要有一款万能控制器，能够满足所有现场的需要，也迎合设计师实现自己设计理念的意愿，自定义控制系统也便应运而生。

PLC可编程控制器可以完成这个工作，但PLC 的编程过于专业，传感器的变送增加了很大的成本，使得专门定制PLC 控制器价格高，且使用不方便。因此就希望有一款控制器，工程师可以根据自己的要求编制程序，我们将太阳能工程系统控制的主要动作分成了以下几类动作，每个动作进行有效的与非门叠加以此涵盖所有的控制，自定义控制器会让太阳能工程设计师更大程度地发挥自己的想象并通过简单的设置予以实现，将极大地推动太阳能工程的发展。

　　下面重点介绍一下这类控制器的设计理念：

　　在太阳能工程系统中主要有循环水泵、电磁阀、辅助加热装置（含伴热带）几类装置，而对每个动作的控制基本分为：启动条件、停止条件、保护条件、时间因子4类。以集热循环为例：

　　启动条件：温差δT≥8℃； 停止条件：温差δT≤4℃；

　　保护条件：水箱水位≤20%； 时间因子：启动58min，停止2min。

　　通过以上的设置可以看出，只要设置温度水位和动作的对应关系，并输入简单的逻辑就可以完成对动作点的设置，这就是我们基本的设计理念。表1是各种动作的基本设置。

表1自定义控制系统设置

　　2 网络型控制系统

　　目前的高层住宅逐渐被认可的一种供热方式是集中集热、分户储热。就是利用楼顶的空间将太阳能集热器整体布置，通过循环管道将热媒输送到用户终端，在用户终端通过换热盘管将热量交换到分户的储热水箱里面。用户可以像使用电热水器一样使用太阳能热水，无计量无费用，方便快捷，详见图4。

图4 网络型控制系统

　　此系统的集热部分与普通换热系统一样，要考虑缓冲水箱的容量较小，集热动作需采用温差循环和定温循环相结合的模式，我们主要考虑的是如何换热的问题。

　　1.同步换热

　　在早期的集分系统中多采用这种模式，动作很简单，只需要比照缓冲水箱和换热总回水的温差，就可以实现动作。但经过长时间的运行会发现两个问题：第一个问题存在个别用户掉队的问题，在开始换热时各个水箱的温度差异较大，起始温度较低的用户在同步换热的过程中始终温度是最低的，当大部分水箱换热完成后，缓冲水箱和回水的温差不足以启动换热的时候，总会把几个温度较低的用户落下，这种问题被称为换热掉队，这是同步换热不好解决的一大问题。第二个问题要保证所用用户同步换热所需要的循环量非常大，造成管径过大，散热量过大，效率无法提高。

　　2.定向换热

　　 定向换热就是首先选取温度最低的用户进行换热，这需要通过网络型控制器来控制大量的动作。如图4所示，每个用户的小控制器，检测各自水箱的温度，通过网络通信将数据提报总控制器，总控制器分析所有数据进行排序，选取温度较低的1/3~ 1/2用户，给小控制器发出指令，打开它们的电动阀，对这些用户进行定向换热，这种动作周期性执行，重新筛选需要换热的用户，以便在整个加热过程中让所有水箱都达到相对平均的温度。通过网络型控制器支持的定向换热，是集中集热分户储热系统的发展方向，既可以实现用户温度的均衡，又可以缩小管径，减少能量损失，达到节材节能的效果。

　　3 太阳能远程监控平台

　　在未来的太阳能工程领域，人们对太阳能的使用更加理性，更加希望知道自己真正实现的节能指标并希望得到认可，这也是国家政策的导向。计量和有效的检测远传到用户终端，可以客观地评价太阳能供热系统的贡献值，为合同能源管理提供有效的数据支持。

　　 实现远程监控需要具备3个设备环节：监控装置、服务器和用户终端。监控装置可以和中央控制器组合在一起，在控制器上扩展数据处理和通信模块，通过多种通信模式发送到服务器上，现用户终端的数据共享，如图5所示。

图5 远程控制系统

　　远程监控平台是在大型服务器的基础上，对所有工程的数据进行集中处理并形成分析报告的运作体系，其硬件就是服务器，而软件就是基于前文所描述的各类系统，通过程序处理的数字报告。这种服务平台可以是太阳能热利用企业的，可以是第三方的，也可以是国家的。

　　它的作用主要有以下3点：

　　1.出具客观的太阳能供热系统评价报告，计算系统的节能量，作为合同能源管理的有效数据。

　　2.通过对太阳能工程运行参数的分析，积累实验数据，合理调整太阳能供热系统系统的运行流程和参数设置，提升太阳能供热工程的技术水平。

　　3.通过平台，实现对系统控制的远距离干预。我们在此只是提出了干预的概念，而不是控制，尽管控制是完全可以实现的，但远程监测得到的只是数据，现场的人为状况是不可能全面了解的，适当干预性的控制不会给现场带来操作的危险。

太阳能远程监控平台的建设，是一项非常有益，但需要相当长过程才能实现的设想。首先，它需要一个既能了解太阳能供热系统又精通网络技术的团队来做后台的支持，同时这还是一项全天候的连续性工作；其次，只有规范统一的控制器，才能给服务器变送有效的数据，这就要求在做监控平台之前，要规范统一的控制器。

　　4 结语

　　以上是对涉及太阳能工程控制系统的描述及设想，太阳能控制器作为一项长期的建设性工作，它将最终走向规范化与统一化，我们期望能在广大的同行中得到共鸣和积极的意见，携手共同为太阳能工程的控制事业添砖加瓦，为我们的用户创造更加舒适与人性化的使用功能，创造出更加完美的控制系统。

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