太陽能工程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)簡析

摘要 隨著太陽能工程市場的發(fā)展，太陽能工程控制系統(tǒng)作為整個(gè)太陽能工程系統(tǒng)的大腦，越來越引起了人們的重視。其發(fā)展也日趨多元化。本文從太陽能工程的各個(gè)方面對(duì)太陽能控制進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能工程控制系統(tǒng)也將會(huì)取得更大的發(fā)展。   　　0 前言  　　太陽能工程經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一種較為統(tǒng)一的工程模式，在這個(gè)發(fā)展過程中，太陽能工程控制系統(tǒng)作為工程的大腦，其發(fā)展也日漸多元化。在工程控制類型上，已經(jīng)從單一控制一個(gè)系統(tǒng)到中央系統(tǒng)與各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)；在通信模式上，已經(jīng)從簡單的人機(jī)對(duì)話發(fā)展到遠(yuǎn)程監(jiān)控。  　　1 太陽能工程控制器  　　針對(duì)現(xiàn)有的太陽能工程規(guī)模及類型，我們將控制器分成3種類型：第1類：太陽能中央控制器；第2類：網(wǎng)絡(luò)型控制器；第3類：太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。下文將對(duì)以上3種類型的控制器做出詳細(xì)的介紹。  　　1 太陽能工程中央控制器  　　太陽能工程中央控制器是最傳統(tǒng)的控制器，根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)的類型可以分為單水箱系統(tǒng)、雙水箱系統(tǒng)、普通換熱系統(tǒng)、集分換熱系統(tǒng)、自定義控制系統(tǒng)。  　　1.1單水箱系統(tǒng)  　　單水箱系統(tǒng)是最簡單、最基本的太陽能熱水系統(tǒng)，如圖1所示，從功能上可以分為集熱循環(huán)、輔助加熱、供水循環(huán)、上水、防凍等。  圖1 單水箱系統(tǒng)圖 　　1.集熱循環(huán)   　　一般是指太陽能集熱器與水箱之間的溫差循環(huán)，是通過溫差而控制的循環(huán)。溫差是指太陽能集熱器與水箱之間的溫差。溫差循環(huán)的關(guān)鍵是選擇的溫度點(diǎn)是否能代表真正的太陽能集熱器溫度，由于太陽能集熱器串并聯(lián)的支路非常多，偏流的可能性很大，一個(gè)點(diǎn)的溫度不一定能真正代表整個(gè)陣列的溫度，因此建議選擇兩個(gè)溫差動(dòng)作同時(shí)有效，以保障可靠的溫差循環(huán)，其中一個(gè)溫度點(diǎn)最好選擇在太陽能集熱器總回水上，這樣更能體現(xiàn)太陽能集熱器溫度的綜合值。  　　2.輔助加熱  　　對(duì)于輔助加熱，一般是控制器選擇在何種條件下輔助加熱設(shè)備的介入，并達(dá)到何種條件停止。一般條件下，是由水箱溫度控制輔助加熱的啟停。輔助加熱最好加入時(shí)間因子，時(shí)間因子分為周期模式和定時(shí)段模式2種。對(duì)于水箱的輔助加熱溫度應(yīng)該既能滿足水箱的最低供水要求，又能給太陽能加熱系統(tǒng)留下加熱空間。  　　對(duì)水箱輔助加熱的溫度一般有以下3種：  　　第1種，低溫加熱，讓水箱維持一定的溫度，滿足供水的最低要求，這樣既可以在太陽能熱水系統(tǒng)需要集熱時(shí)有充分的加熱空間，又能在用水高峰來臨之前有過大的熱量差，使得加熱時(shí)間過長。  　　第2種，定時(shí)段加熱，在用水高峰時(shí)段反復(fù)加熱使水箱始終保持一定溫度，保證連續(xù)供水，這種模式適用于賓館。  　　第3種，定時(shí)加熱，從某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始將水溫加熱到一個(gè)相對(duì)較高的溫度，不再加熱，這種模式適合于一次性供水的集體浴室。  　　3.供水循環(huán)  　　供水循環(huán)是指熱水的供應(yīng)方式以及供應(yīng)的依據(jù)，具體分為定溫循環(huán)、定時(shí)循環(huán)以及定時(shí)定溫循環(huán)3種，有時(shí)也會(huì)使用與集熱循環(huán)類似的溫差循環(huán)。  　　4.上水  　　上水是一項(xiàng)非常重要的功能，何時(shí)給水箱加水，讓水箱保持何種水溫，既要保證熱水的供應(yīng)，又要給太陽能加熱系統(tǒng)留下足夠的加熱空間。  　　5.防凍  　　我國北方大部分區(qū)域需要進(jìn)行管道防凍。防凍的方式有排空、循環(huán)和伴熱。防凍循環(huán)就是要用最小的代價(jià)來保證管道不被凍壞。傳統(tǒng)的方式是檢測管道的溫度，通過循環(huán)的方式來保證管道的溫度，但對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)循環(huán)的管道，如自來水管道不能進(jìn)行循環(huán)防凍，那就需要使用伴熱帶進(jìn)行防凍，針對(duì)伴熱帶的使用引入環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度確定防凍等級(jí)，根據(jù)防凍等級(jí)確定伴熱帶的啟動(dòng)周期和頻率。  　　1.2雙水箱系統(tǒng)  　　使用雙水箱的作用一方面是分擔(dān)建筑的荷載；另一方面也可以分出一個(gè)恒溫水箱，降低輔助加熱的功率，既可以給太陽能加熱系統(tǒng)留下足夠的空間，又可以讓熱水來得更快一點(diǎn)。  　　雙水箱比單水箱的特點(diǎn)：  　　1.要控制2個(gè)水箱的水位，并有2個(gè)上水動(dòng)作點(diǎn)；  　　2.根據(jù)用水特點(diǎn)，靈活地變換兩個(gè)水箱的連接方式；  　　3.合理計(jì)算恒溫水箱和儲(chǔ)熱水箱以及輔助加熱功率之間的關(guān)系。雙水箱系統(tǒng)如圖2所示。  圖2 雙水箱系統(tǒng) 　　1.3普通換熱系統(tǒng)  　　對(duì)于大型太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行，如何防止系統(tǒng)產(chǎn)生水垢，以盡可能地減緩系統(tǒng)集熱效率的衰減是極其重要的問題。因此使用換熱器可以有效解太陽能決集熱系統(tǒng)的結(jié)垢問題，同時(shí)換熱器還提供了一個(gè)萬能接口，可以和其他的熱能設(shè)備對(duì)接，使太陽能熱水系統(tǒng)在工業(yè)熱利用方面變得非?？尚?。  　　普通換熱系統(tǒng)工程（如圖3所示）中，緩沖水箱的設(shè)計(jì)是非常重要的，由于它的熱量最終是得不到利用的，容量過大會(huì)影響集熱效率，正常容量應(yīng)該是大于系統(tǒng)50℃溫升的膨脹量的2倍。  　　在進(jìn)行系統(tǒng)控制時(shí)應(yīng)注意2個(gè)問題：  　　1.由于緩沖水箱容量過小，使得緩沖水箱與太陽能集熱器之間的溫差會(huì)在水箱啟動(dòng)之后很短的時(shí)間就為0了，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的集熱循環(huán)。集熱循環(huán)的模式最好使用定溫循環(huán)，定溫循環(huán)可以依據(jù)太陽能集熱器溫度或緩沖水箱的溫度。真正的集熱循環(huán)則需要比較緩沖水箱和儲(chǔ)熱水箱之間的溫差，控制換熱器兩側(cè)的水泵進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。  　　2.為了充分保證電加熱管不受水垢的影響，可以將電加熱管放在緩沖水箱里，通過換熱的模式實(shí)現(xiàn)電加熱。  圖3 普通換熱系統(tǒng) 　　1.4自定義控制系統(tǒng)  　　任何固定模式的控制器，都不能滿足工程師對(duì)特殊項(xiàng)目的要求，而且很多工程師有自己比較獨(dú)特的系統(tǒng)流程，我們需要有一款萬能控制器，能夠滿足所有現(xiàn)場的需要，也迎合設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)理念的意愿，自定義控制系統(tǒng)也便應(yīng)運(yùn)而生。  PLC可編程控制器可以完成這個(gè)工作，但PLC 的編程過于專業(yè)，傳感器的變送增加了很大的成本，使得專門定制PLC 控制器價(jià)格高，且使用不方便。因此就希望有一款控制器，工程師可以根據(jù)自己的要求編制程序，我們將太陽能工程系統(tǒng)控制的主要?jiǎng)幼鞣殖闪艘韵聨最悇?dòng)作，每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行有效的與非門疊加以此涵蓋所有的控制，自定義控制器會(huì)讓太陽能工程設(shè)計(jì)師更大程度地發(fā)揮自己的想象并通過簡單的設(shè)置予以實(shí)現(xiàn)，將極大地推動(dòng)太陽能工程的發(fā)展。  　　下面重點(diǎn)介紹一下這類控制器的設(shè)計(jì)理念：  　　在太陽能工程系統(tǒng)中主要有循環(huán)水泵、電磁閥、輔助加熱裝置（含伴熱帶）幾類裝置，而對(duì)每個(gè)動(dòng)作的控制基本分為：啟動(dòng)條件、停止條件、保護(hù)條件、時(shí)間因子4類。以集熱循環(huán)為例：  　　啟動(dòng)條件：溫差δT≥8℃；  停止條件：溫差δT≤4℃；  　　保護(hù)條件：水箱水位≤20%； 時(shí)間因子：啟動(dòng)58min，停止2min。  　　通過以上的設(shè)置可以看出，只要設(shè)置溫度水位和動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并輸入簡單的邏輯就可以完成對(duì)動(dòng)作點(diǎn)的設(shè)置，這就是我們基本的設(shè)計(jì)理念。表1是各種動(dòng)作的基本設(shè)置。  表1自定義控制系統(tǒng)設(shè)置  　　2 網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)  　　目前的高層住宅逐漸被認(rèn)可的一種供熱方式是集中集熱、分戶儲(chǔ)熱。就是利用樓頂?shù)目臻g將太陽能集熱器整體布置，通過循環(huán)管道將熱媒輸送到用戶終端，在用戶終端通過換熱盤管將熱量交換到分戶的儲(chǔ)熱水箱里面。用戶可以像使用電熱水器一樣使用太陽能熱水，無計(jì)量無費(fèi)用，方便快捷，詳見圖4。  圖4 網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng) 　　此系統(tǒng)的集熱部分與普通換熱系統(tǒng)一樣，要考慮緩沖水箱的容量較小，集熱動(dòng)作需采用溫差循環(huán)和定溫循環(huán)相結(jié)合的模式，我們主要考慮的是如何換熱的問題。  　　1.同步換熱  　　在早期的集分系統(tǒng)中多采用這種模式，動(dòng)作很簡單，只需要比照緩沖水箱和換熱總回水的溫差，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。但經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：第一個(gè)問題存在個(gè)別用戶掉隊(duì)的問題，在開始換熱時(shí)各個(gè)水箱的溫度差異較大，起始溫度較低的用戶在同步換熱的過程中始終溫度是最低的，當(dāng)大部分水箱換熱完成后，緩沖水箱和回水的溫差不足以啟動(dòng)換熱的時(shí)候，總會(huì)把幾個(gè)溫度較低的用戶落下，這種問題被稱為換熱掉隊(duì)，這是同步換熱不好解決的一大問題。第二個(gè)問題要保證所用用戶同步換熱所需要的循環(huán)量非常大，造成管徑過大，散熱量過大，效率無法提高。   　　2.定向換熱  　　 定向換熱就是首先選取溫度最低的用戶進(jìn)行換熱，這需要通過網(wǎng)絡(luò)型控制器來控制大量的動(dòng)作。如圖4所示，每個(gè)用戶的小控制器，檢測各自水箱的溫度，通過網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)提報(bào)總控制器，總控制器分析所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，選取溫度較低的1/3~ 1/2用戶，給小控制器發(fā)出指令，打開它們的電動(dòng)閥，對(duì)這些用戶進(jìn)行定向換熱，這種動(dòng)作周期性執(zhí)行，重新篩選需要換熱的用戶，以便在整個(gè)加熱過程中讓所有水箱都達(dá)到相對(duì)平均的溫度。通過網(wǎng)絡(luò)型控制器支持的定向換熱，是集中集熱分戶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的發(fā)展方向，既可以實(shí)現(xiàn)用戶溫度的均衡，又可以縮小管徑，減少能量損失，達(dá)到節(jié)材節(jié)能的效果。  　　3 太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)  　　在未來的太陽能工程領(lǐng)域，人們對(duì)太陽能的使用更加理性，更加希望知道自己真正實(shí)現(xiàn)的節(jié)能指標(biāo)并希望得到認(rèn)可，這也是國家政策的導(dǎo)向。計(jì)量和有效的檢測遠(yuǎn)傳到用戶終端，可以客觀地評(píng)價(jià)太陽能供熱系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，為合同能源管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。  　　 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控需要具備3個(gè)設(shè)備環(huán)節(jié)：監(jiān)控裝置、服務(wù)器和用戶終端。監(jiān)控裝置可以和中央控制器組合在一起，在控制器上擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理和通信模塊，通過多種通信模式發(fā)送到服務(wù)器上，現(xiàn)用戶終端的數(shù)據(jù)共享，如圖5所示。  圖5 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 　　遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是在大型服務(wù)器的基礎(chǔ)上，對(duì)所有工程的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理并形成分析報(bào)告的運(yùn)作體系，其硬件就是服務(wù)器，而軟件就是基于前文所描述的各類系統(tǒng)，通過程序處理的數(shù)字報(bào)告。這種服務(wù)平臺(tái)可以是太陽能熱利用企業(yè)的，可以是第三方的，也可以是國家的。  　　它的作用主要有以下3點(diǎn)：  　　1.出具客觀的太陽能供熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)報(bào)告，計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)能量，作為合同能源管理的有效數(shù)據(jù)。  　　2.通過對(duì)太陽能工程運(yùn)行參數(shù)的分析，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理調(diào)整太陽能供熱系統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)行流程和參數(shù)設(shè)置，提升太陽能供熱工程的技術(shù)水平。  　　3.通過平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制的遠(yuǎn)距離干預(yù)。我們?cè)诖酥皇翘岢隽烁深A(yù)的概念，而不是控制，盡管控制是完全可以實(shí)現(xiàn)的，但遠(yuǎn)程監(jiān)測得到的只是數(shù)據(jù)，現(xiàn)場的人為狀況是不可能全面了解的，適當(dāng)干預(yù)性的控制不會(huì)給現(xiàn)場帶來操作的危險(xiǎn)。   太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)，是一項(xiàng)非常有益，但需要相當(dāng)長過程才能實(shí)現(xiàn)的設(shè)想。首先，它需要一個(gè)既能了解太陽能供熱系統(tǒng)又精通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)來做后臺(tái)的支持，同時(shí)這還是一項(xiàng)全天候的連續(xù)性工作；其次，只有規(guī)范統(tǒng)一的控制器，才能給服務(wù)器變送有效的數(shù)據(jù)，這就要求在做監(jiān)控平臺(tái)之前，要規(guī)范統(tǒng)一的控制器。  　　4 結(jié)語  　　以上是對(duì)涉及太陽能工程控制系統(tǒng)的描述及設(shè)想，太陽能控制器作為一項(xiàng)長期的建設(shè)性工作，它將最終走向規(guī)范化與統(tǒng)一化，我們期望能在廣大的同行中得到共鳴和積極的意見，攜手共同為太陽能工程的控制事業(yè)添磚加瓦，為我們的用戶創(chuàng)造更加舒適與人性化的使用功能，創(chuàng)造出更加完美的控制系統(tǒng)。