【正文】 對于住宅建筑太陽能集中供熱分戶儲熱熱水系統(tǒng)而言，合理的控制是影響系統(tǒng)正常運行、有效節(jié)能的重要因素，通過控制達到提高系統(tǒng)熱利用率的作用。同時，太陽能雖然是清潔免費能源，但是人面使用觀念會不節(jié)制的使用，從而造成輔助加熱的產生，最后導致太陽能不節(jié)能的后果?？偪刂破骺刂葡到y(tǒng)的運行和集熱，分戶控制器控制分戶的換熱。T1為太陽能集熱器出水溫度，T2為回水管溫度，T3為緩沖水箱溫度，T4為分戶管道溫度，T5為分戶水箱溫度。，集熱水箱的工質溫度在達到設定的溫度值后，系統(tǒng)由總控制器開啟下行管路的電磁閥，循環(huán)管道進行加熱。系統(tǒng)由集熱水箱中的熱量繼續(xù)進行熱交換?？偪刂破魍ㄟ^對系統(tǒng)管道內的流量和各點溫度，計算日得熱量。全日供水的集中供熱系統(tǒng)可按以下公式計算。d)，取50L/(人 （3—8）為日均用水量，L，由上面計算得2500L/ d； 為水的定壓比熱容，(kg.℃)；為水的密度，1kg/L；為儲水箱內水的終止設計溫度，℃，一般取60℃；為水的初始溫度，℃，南寧地區(qū)取20℃；為太陽保證率，在系統(tǒng)設計之前首先要確定合適的太陽能保證率。為當地集熱器采光面上的年平均日太陽能輻射量，南寧地區(qū)取=12788KJ/ m2；為集熱器的年平均集熱效率，具體根據廠家提供的集熱器效率圖得到?！?，對于平板集熱器一般取4～6 W/ (m2 (3) 儲熱水箱選型一般按每平方米太陽能集熱器對應75L儲熱水箱的容積來確定。 （3—11）為折現系數 （3—12）為年市場折現率，%；為年燃料價格上漲率，取1％；為系統(tǒng)壽命期，取15年代入公式得 ；為系統(tǒng)當年設計的常規(guī)能源價格，= 元/MJ；為常規(guī)能源水加熱裝置的效率，電加熱的效率按95％考慮。 本章從系統(tǒng)角度詳細介紹了太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結合的主要方式和運用。在此基礎上，分析了系統(tǒng)的負荷和節(jié)能效益。通過安裝在各處的溫度傳感器，控制系統(tǒng)能及時的反饋系統(tǒng)運行狀況并調節(jié)系統(tǒng)工作方式。為了保證分戶水箱的正常換熱，分戶溫度傳感器的正確判斷，循環(huán)管道內的水溫應該和集熱水箱中的水溫保持在一定范圍之內。為進一步保障安全，在工質循環(huán)管道頂部還安裝了一個漏氣閥，當管道內的氣壓超過一定限值時，可以從該處放氣，以緩解壓力，避免工質溫度過高對控制系統(tǒng)本身和管道造成不利影響。通過對系統(tǒng)中各數字信號輸入量和模擬信號輸入量的采集和運算，完成內部邏輯運算、順序控制、邏輯判斷、定時計數、數據處理和通信等功能。表41 S7200 CPU224主要性能Table 41 Main performance of S7200 CPU224共24個數字量I/O點，14輸入/10輸出可擴展7個模塊13KB程序和數據存儲空間具有PID控制1個RS485通信口具有PPI通信協(xié)議具有MPI通信協(xié)議具有自由方式通信能力I/O端子排能輕易整體拆卸6個獨立30Hz高速計數器模擬量輸入模塊信號處理過程如圖41所示,此款PLC不自帶模擬量輸入模塊，由于要采集傳感器的模擬量信號，因此需要擴展模擬量模塊，擴展模塊采用EM231熱電阻測量模塊。圖41 模擬量輸入信號處理過程 Fig 41 Analog input signal processing模擬量輸入模塊信號處理過程如圖41所示,此款PLC不自帶模擬量輸入模塊，由于要采集傳感器的模擬量信號，因此需要擴展模擬量模塊，擴展模塊采用EM231熱電阻測量模塊。控制系統(tǒng)的其他元器件包括水泵、溫度傳感器、輔助加熱裝置、太陽能集熱器等，其相關設備選型如表42所示。圖42總控制系統(tǒng)硬件原理圖Fig 42 General control principle diagram of system hardware I/O端口分配在確定PLC 的控制規(guī)模后，計算所需要的I/ O點數，包括數字輸入量、輸出量，模擬輸入量、輸出量。數字輸出量為7個，包括4個電磁閥、2個水泵和1個排氣閥門。如圖444所示，溫度為100℃對應的電信號值，對于電壓信號和電流信號得到兩條不同斜率的直線。根據以上分析，測量分戶水箱的傳感器采用NTC10K溫度傳感器，即負溫度系數傳感器。其分度值表為：表47 NTC10K，B=3950值表Table 47 NTC10K，B=3950 Value table℃01020304050607080901001 10120Ω336202017412535803753013588248617591270933697529407被測對象的不同，測量集熱器出口、管道和集熱水箱的傳感器采用PT1000溫度傳感器，PT1000是鉑熱電阻，它的阻值是隨著溫度的變化而變化。 工作流程圖如圖45所示。當集熱水箱溫度T3達到Tb時（Tb設置為50 ℃），打開下行管路的4電磁閥HV4，同時關閉集熱管2電磁閥HV2，系統(tǒng)開始加熱下行管路，系統(tǒng)進入換熱環(huán)節(jié)，將累積到一定熱量的工質進入到分戶水箱換熱。在檢測到水箱溫度T3高于95℃且回水管溫度T2高于60℃后，系統(tǒng)換熱已完成，集熱水箱也采集到足夠的溫度，系統(tǒng)停止循環(huán)。當T5Te時（Te設置為70℃）,分戶水箱換熱完畢，HV5關閉，防止戶內熱量倒流到管道中。關于硬件調試主要是在PLC、溫度傳感器和水泵等設備合理選型的基礎上，按照電氣接線圖正確的安裝接線，通過實際上電調試，由于實驗條件所限不做詳細介紹。MPI多點通信是S7系列產品之間專用的一種通信協(xié)議，它既可主—主通信也可主—從通信，其主要用于有著多個PLC的控制系統(tǒng)中作互相通信時使用。通過使用發(fā)送指令（XMT）、接受指令（RCV）、接收發(fā)送中斷等操作，用戶可以控制CPU的串行通信接口。總控制器的作用是通過合理的控制完成太陽能集熱并分配給各用戶，本章主要分析了太陽能熱水總控制器的功能、硬件結構和軟件設計，控制單元采用西門子S7200 CPU224，通過PLC實現系統(tǒng)各元器件的控制。分戶控制系統(tǒng)的功能主要分為：工質循環(huán)控制、系統(tǒng)保護控制、輔助電加熱控制和顯示功能等。水溫顯示：顯示太陽能熱水器蓄水箱溫度和工質溫度。期間自動判斷出水口水流開關工作狀態(tài)，一旦檢測到有用水情況立即停止電加熱功能，一旦檢測到出水口水流開關恢復到無用水狀態(tài)，啟動電加熱功能。用戶模式（按“用戶/默認”鍵）：按“用戶/默認”鍵，可以實現兩個模式的直接切換，顯示器實時顯示工作模式。默認模式（按“用戶/默認”鍵）：按“用戶/默認”鍵，可以實現兩個模式的直接切換，顯示器實時顯示工作模式。1當前故障保護及查詢，當發(fā)生故障時，故障燈閃爍，一鍵加熱，用戶模式，默認模式都不能工作，防止帶故障運行損壞設備，故障顯示頁面實時顯示當前故障，方便用戶查看。電源電路板PCB如圖53所示，主控電路板PCB圖如圖54所示。其工作頻率高達50MHz。 圖56 主控電路原理圖Fig 56 The main control circuit diagram 各部分電路原理與結構圖57 按鍵電路圖Fig 57 Key circuit diagram顯示模塊采用的液晶顯示屏為金鵬電子的OCMJ系列產品，自帶中文字庫，能顯示漢字4行8列，液晶屏采用串行接口方式，這樣能有效節(jié)約處理器的端口資源。存儲芯片AT24C04是一個4K位串行CMOS ，內部有512個8位字節(jié)、1個8字節(jié)頁寫緩沖器、具有標準接口、有專門的寫保護功能。電加熱電路如圖512所示，ULN2003引腳圖如圖513所示引腳功能如表54所示。由于熱敏電阻的阻值隨著溫度而改變，單片機測量非門輸出的頻率也跟著發(fā)生改變，原理圖如圖515所示。圖514 串口通信電路Fig 514 The serial munication circuit溫度測量電路的測溫原理是利用熱敏電阻的特性,將其與7404非門組成一個簡單的RC震蕩電路。圖59 時鐘與存儲電路Fig 59 Clock and memory circuit 圖510 SD2403管腳圖 圖511 AT24C04管腳圖Fig 510 The SD2403 pin map Fig 511 The AT24C04 pin map 表53 SD2403引腳功能表 54 AT24C04引腳功能Table 53 The SD2403 pin function table Table 54 The AT24C04 pin function table腳號名稱功能腳號名稱功能1Vbat備用電源輸入腳1A0器件地址選擇2NC懸空或接地2A1器件地址選擇3NC懸空或接地3A2器件地址選擇4GND接地4GND接地5SDA串行數據地址5SDA串行數據地址6SCL串行時鐘輸入6SCL串行時鐘輸入7INT報警中斷輸出7WP寫保護8VCC電源8VCC電源該模塊中的繼電器為DC12V，其控制電加熱的繼電器功率可達8800W(實際限額4000W)。實時時鐘芯片SD2403具有內置晶振、內置單路定時/報警終端輸出、具有標準接口、內置時鐘精度數字調整功能、具有后備電池輸入腳。LPC1114 引腳使用情況如表52。LPC1114是基于ARM CortexM0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應用。其中單片機控制電路是系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)完成換熱的重要保障，它完成對分戶水箱換熱、電加熱、模式設置和用電保護等功能，其硬件主控電路板如圖51所示。用水斷電功能，一旦檢測到有用水，則關閉任何模式下的電加熱，起到漏電保護的作用，當沒有用水的時候，恢復用水前的模式。在對應的時間段內，如果水箱的溫度沒有達到起始溫度，電加熱啟動，當加熱至結束溫度時，電加熱停止加熱。一鍵加熱功能，用戶按下“一鍵加熱”按鍵，即可強制加熱，顯示器顯示當前工作模式。工質循環(huán)泵和電加熱都停止，當水位恢復到高于50%時，系統(tǒng)自動工作。表51系統(tǒng)描述Table 51 System description控制輸出描述輔助電加熱電加熱控制分戶電磁閥電磁閥控制傳感器輸入描述T4分戶管道溫度T5分戶水箱溫度實現的功能有：北京時間：實時顯示北京時間。目前，市場上主流的太陽能熱水系統(tǒng)戶式控制裝置的主要功能是控制儲熱水箱的輔助熱源，即電加熱裝置，以方便在陰雨天氣或水量不足的情況下可以及時開啟電加熱裝置，滿足用戶的熱水需求。當CUP處于STOP模式時中止自由端口通信，處于RUN模式時才能使用自由端口通信。Profibus DP用于與分布式I/O的高速通信，可以實現不同的電機控制設備和PLC的通信。 PLC與單片機通信西門子S7200 CPU224PLC具有1個RS—485通信接口，支持PPI、MPI、自由口、Profibus DP等通信協(xié)議。通過比較TT3對應的溫度寄存器VDVD30，判斷系統(tǒng)是否符合集熱條件，條件滿足則相應的水泵和繼電器打開，梯形圖如圖410所示。為進一步保障安全，在工質循環(huán)管道頂部還安裝了一個漏氣閥，當管道內的氣壓超過一定限值時，可以從該處放氣，以緩解壓力。當集熱水箱溫度大于工質出水口溫度時，系統(tǒng)進入夜間換熱模式，此時啟動溫差循環(huán)泵，同時打開1電磁閥HV2電磁閥HV2和夜間循環(huán)管道上的4電磁閥HV4，關閉集熱器管道上的3電磁閥HV3。系統(tǒng)啟動后，控制器檢測到太陽能集熱器工質出水口溫度T1和集熱水箱溫度T3，當T1T3≥Ta時（Ta設置為5℃，也可根據實際值設定），啟動溫差循環(huán)泵，同時打開集熱管2電磁閥HV2和回水管3電磁閥HV3。與NTC10K溫度傳感器相反，它的的阻值會隨著溫度上升而增加。通過這一特性, 可通過測量其電阻值的變化來確定相應的溫度，從而達到檢測和控制溫度的目的。表45溫度/電壓對應數字量Table 45 Temperature / voltage corresponding to the digital quantity溫度（℃）020406080100電壓（V）0246810數字量0640012800192002560032000表46溫度/電流對應數字量Table 46 Temperature / current corresponding to the digital quantity溫度（℃）020406080100電流（mA）420數字量64001152016640217602688032000可得到電壓信號轉化公式為 （4—1）電流信號轉化公式為 （4—2） 根據測量對象的不同溫度傳感器的選用要考慮以下幾方面的問題。表43 I/ O地址分配Table 43 I / O address allocation輸入信號地址輸入設備輸出信號地址輸出設備自動/手動轉換開關1水泵手動啟動開關