節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃彬軻 吳影清 張侃諭

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

目前，大多數(shù)大型賓館酒店都使用燃油鍋爐來制取洗浴用水，以供入住的顧客使用。這種方式雖然能產(chǎn)生足夠量的熱水，但由于熱源對環(huán)境污染嚴(yán)重，不能適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)化發(fā)展的要求［1］。同時(shí)，考慮到現(xiàn)今油價(jià)的不穩(wěn)定，其突然攀升也必將給賓館酒店帶來一定的損失。

針對洗浴熱水系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的能源問題，以按需生產(chǎn)、合理輸送、實(shí)時(shí)控制和綜合優(yōu)化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)節(jié)能系統(tǒng)已成為業(yè)界較為迫切的需求。節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)將管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能相結(jié)合，從而達(dá)到綜合節(jié)能的目的，以較小投資實(shí)現(xiàn)較大的節(jié)能回報(bào)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用太陽能集熱器與空氣源熱泵(air source heat pump，ASHP)相結(jié)合的方式制取洗浴熱水，具有高效、節(jié)能且環(huán)保的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，充分利用峰谷電價(jià)差，優(yōu)化熱泵運(yùn)行策略，以達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的。

太陽能作為清潔廉價(jià)的替代能源，優(yōu)勢十分明顯。系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽能集熱器生產(chǎn)熱水，在滿足初期成本和安裝空間的情況下，盡可能擴(kuò)大太陽能集熱器的規(guī)模，提高節(jié)能效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮賓館酒店洗浴熱水的需求量。一般情況下，供三四百人入住的大型賓館酒店的冬季日用水量約為60 t，平均水溫為55℃;而春秋夏季日用水量約為45～50 t，平均水溫為55℃。

空氣源熱泵是以空氣作為熱源進(jìn)行供熱的裝置，能以較低的能量消耗將低溫位熱能輸送至高溫位，較以往使用的燃油加熱方式，其能效比更高。本文采用的空氣源熱泵的平均能效比(coefficient of performance，COP)為 4.6，最高可達(dá) 5.7，冬季最低為 2.5［2］。熱泵與燃油鍋爐的費(fèi)用比較如表1所示。

表1 費(fèi)用比較Tab.1 Cost comparison

在表1中，分別采用空氣源熱泵和燃油方式，在相同條件下對1000 kg初始水溫為20℃的生活用水進(jìn)行加熱，使溫度升高35 K。其中，加熱所需熱量為35000 kcal;能源價(jià)格按商用電費(fèi)0.90元/(kW·h)計(jì)算;輕柴油按5.00元/kg計(jì)算。

此外，空氣源熱泵還具有安裝使用方便、能量利用效率高、溫室效應(yīng)小以及環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)用廣泛［3］。

在選擇空氣源熱泵的容量時(shí)，既要充分考慮到酒店賓館用戶的用水需求，又要考慮到太陽能集熱器生產(chǎn)熱水的能力。同時(shí)，約定熱泵一天內(nèi)開啟時(shí)間最多不超過16 h，以避免高電價(jià)時(shí)段產(chǎn)生的高額電費(fèi)。

空氣源熱泵機(jī)組的產(chǎn)水量主要與氣溫有關(guān)，本文參照上海平均氣溫報(bào)告和熱泵機(jī)組的特性曲線，設(shè)計(jì)4臺(tái)使用77 kW熱泵熱水機(jī)組，輸入功率為18 kW×4。當(dāng)上海冬季夜晚的平均氣溫為5℃時(shí)，77 kW×4臺(tái)熱泵機(jī)組每小時(shí)可生產(chǎn)55℃熱水4.4 t，而春秋季夜晚的平均氣溫15℃，則熱泵每小時(shí)可產(chǎn)熱水7.2 t。由于在夏季，較高的平均氣溫使得空氣源熱泵擁有較高的COP值，即擁有較強(qiáng)的產(chǎn)熱水能力，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要冬季和春秋季節(jié)的熱水需求得到滿足，夏季便自然符合設(shè)計(jì)需求。熱泵運(yùn)行時(shí)間的具體設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 熱泵運(yùn)行時(shí)間的設(shè)計(jì)Tab.2 Design of pump running time

表2中，x為熱泵產(chǎn)水能力;y為太陽能產(chǎn)水量;t為熱泵運(yùn)行時(shí)間;z為熱泵產(chǎn)水量。

設(shè)計(jì)過程中，考慮到要盡可能地將一天中的太陽能轉(zhuǎn)為熱能生產(chǎn)熱水，太陽能便充當(dāng)了生產(chǎn)熱水的前鋒;而空氣源熱泵將作為主力加熱器件，以保證生產(chǎn)足量的熱水供顧客使用。

在設(shè)計(jì)時(shí)，還要特別考慮酒店賓館的用水情況、分時(shí)電價(jià)情況以及賓館酒店所處地域等情況，這樣才能正確配置洗浴熱水產(chǎn)能設(shè)備，合理編寫節(jié)能算法。

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須提高控制對象信息采集的可靠性。故在設(shè)計(jì)水箱液位和溫度的采集方式時(shí)，分別安排三組通道，每組通道均分布在水箱的不同區(qū)域，對保溫水箱的水溫與液位進(jìn)行采集。具體的洗浴熱水節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drawing of system construction

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)的控制部分采用西門子S7-200系列的PLC作為主控制器，對各種閥泵的啟停采用數(shù)字量模塊EM221進(jìn)行輸出控制;對各種溫度、液位等模擬量采集使用模擬量采集模塊EM231;同時(shí)，使用西門子人機(jī)界面設(shè)備TP177B DP PN對整個(gè)節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)進(jìn)行交互控制。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Design of hardware

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，加入EM277模塊，使系統(tǒng)具有Profibus總線通信能力［4］;同時(shí)，在上位機(jī)中插入西門子通信卡CP5611，并安裝相應(yīng)的組態(tài)軟件(如第三方的力控軟件或西門子的WinCC Flexible)，從而采用西門子的PC Access在上位機(jī)中建立一個(gè)OPC Server，供各種組態(tài)軟件對掛載在Profibus總線上的節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制［5］。

本系統(tǒng)使用的S7-224XP只具有兩個(gè)串行數(shù)據(jù)接口，其中一個(gè)通過自帶的MPI協(xié)議連接西門子人機(jī)界面設(shè)備，另一個(gè)作為自由口，與熱泵進(jìn)行通信，從而控制熱泵機(jī)組的運(yùn)行。這樣，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PLC上就不能插入調(diào)試接口進(jìn)行在線調(diào)試運(yùn)行，此時(shí)可以借用EM277，通過與上位機(jī)通信的Profibus總線來調(diào)試PLC程序。在系統(tǒng)運(yùn)行中，PC端上位機(jī)通過Internet獲知次日氣象信息，并估計(jì)次日太陽能集熱器的出水能力，從而決定當(dāng)晚至次日凌晨低電價(jià)時(shí)段熱泵的運(yùn)行時(shí)間。

3 節(jié)能控制軟件設(shè)計(jì)

節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括模擬量的采集與濾波、太陽能集熱器的控制、熱泵的分時(shí)電價(jià)節(jié)能運(yùn)行程序、熱泵基于安全線的運(yùn)行模式、綜合節(jié)能運(yùn)行模式、歷史數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)和各種電動(dòng)閥的控制接口程序［6－9］。

3.1 模擬量采集

為使系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠的狀態(tài)下運(yùn)行，各類模擬量采集必須保證真實(shí)有效，所以需要對分布在不同位置的同一種狀態(tài)量采集值進(jìn)行均值濾波處理，即將新采樣值與前五次正確采樣值進(jìn)行平均值運(yùn)算;然后對不同位置采集到的同一種狀態(tài)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)正確的運(yùn)行狀態(tài)。模擬量采集程序流程如圖3所示。

圖3 模擬量采集程序流程圖Fig.3 Program flow of analog acquisition

3.2 太陽能集熱器補(bǔ)水

太陽能集熱器的補(bǔ)水回路采用雙輸入單輸出的模糊控制器來控制，由太陽能集熱器的出水口管溫、水箱水溫以及水箱液位來確定太陽能集熱器出水的流量。太陽能補(bǔ)水模糊控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 太陽能補(bǔ)水模糊控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of solar energy make-up water fuzzy control

圖4中，選擇液位差eh、溫差et、溫差改變量Δet作為模糊控制器的輸入量，并將它們進(jìn)行x∈［a，b］到x'∈［－6，6］的尺度變換，使其落入［－6，6］的常用模糊控制論域范圍內(nèi)，a與b分別為物理量實(shí)際采集值的最小值和最大值。尺度變換的表達(dá)式為:

由于S7-224XP的計(jì)算能力較弱，且對太陽能放水的控制精度要求不高，故將輸入輸出論域均勻離散化后再模糊分割成五個(gè)模糊子集，即:PL(正大)、PM(正中)、ZE(零)、NM(負(fù)中)和 NL(負(fù)小)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定各個(gè)模糊子集所對應(yīng)的隸屬度。

在系統(tǒng)運(yùn)行中，如果水箱水位h超過水箱水位期望值h*，那么u應(yīng)該輸出為0，太陽能出水閥關(guān)閉，即有規(guī)則 If［＜ eh=PL or PM or ZE ＞］Then［u=ZE］。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與調(diào)試情況，建立其余規(guī)則，具體規(guī)則如下。

無溫差時(shí)關(guān)閉太陽能:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=PL or PM or ZE＞］Then［u=ZE］。當(dāng)太陽能因補(bǔ)水過猛而導(dǎo)致太陽能集熱器內(nèi)降溫速度過快，則太陽能出水閥開度降低:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞ and ＜Δet=NL＞］Then［u=NM］。如果太陽能補(bǔ)水能力較強(qiáng)時(shí)，則進(jìn)行大開度補(bǔ)水:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞and＜Δet=ZE or NM or PL or PM＞］Then［u=NL］;如果太陽能補(bǔ)水能力較弱時(shí)，進(jìn)行小開度補(bǔ)水:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=NM＞］Then［u=NM］。如果水箱快補(bǔ)滿了，則盡量吸收完太陽能的熱量:If［＜eh=NM＞and＜et=NL＞］Then［u=NL］。最后用Mamdani法計(jì)算出模糊蘊(yùn)含關(guān)系［5］，得出模糊控制總表并存儲(chǔ)在 PLC中。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)調(diào)用該表來控制太陽能出水閥的開度。這一過程所需的計(jì)算量非常少，完全可以滿足對PLC實(shí)時(shí)性的要求。

3.3 熱泵補(bǔ)水

對熱泵補(bǔ)水的控制要充分考慮到分時(shí)電價(jià)的情況與用戶的用水需求，結(jié)合太陽能補(bǔ)水情況進(jìn)行綜合節(jié)能。其總體節(jié)能策略是:在任何時(shí)刻，都將太陽能的水溫水箱期望值h*設(shè)為水箱最高水位，以保證太陽能作為補(bǔ)水先鋒，保證一天內(nèi)能用盡太陽能所產(chǎn)生的熱量;其次，熱泵按照酒店熱水使用需求來安排加熱時(shí)間，同時(shí)按照峰谷電價(jià)情況避開高電價(jià)時(shí)段。

通常情況下，酒店的峰價(jià)時(shí)間分別為8∶00～11∶00、13∶00 ～15∶00、18∶00 ～21∶00。這幾個(gè)時(shí)段的電價(jià)十分昂貴，原則上，熱泵不在上述時(shí)間段開啟。22∶00～6∶00為谷價(jià)時(shí)間，電價(jià)相對便宜，是使用熱泵較好的時(shí)間段，其他時(shí)間為平價(jià)時(shí)間段。由此可見，晚上18∶00～21∶00原則上是不開啟熱泵的，但此時(shí)又無法使用太陽能。而根據(jù)酒店用水歷史記錄可知，大量的洗浴用水往往都是在這一時(shí)段消耗掉的，所以在晚上21∶00這一時(shí)刻的熱水存儲(chǔ)量是一天內(nèi)最少的。由此，以晚上21∶00～次日21∶00為一個(gè)加熱循環(huán)周期。

在加熱周期中的低價(jià)時(shí)段，熱泵補(bǔ)水至凌晨目標(biāo)值。該值決定了熱泵在低價(jià)時(shí)間對水箱的補(bǔ)水量。如果這個(gè)量過大，那么就有可能在白天陽光較好的情況下，由于水箱已快補(bǔ)滿熱水，導(dǎo)致太陽能所產(chǎn)生的熱水不能進(jìn)入水箱，違背節(jié)能的原則;如果是在大冬天，氣溫較低，在熱泵能效比也較低的情況下，熱泵凌晨目標(biāo)值較小，就有可能在晚上18∶00時(shí)刻，熱泵無法將水位加熱到水箱最高點(diǎn)。所以此值需要由用戶設(shè)定或由上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)獲知當(dāng)日天氣信息，然后再通過Profibus傳入到PLC來決定。

由于在一個(gè)加熱循環(huán)周期內(nèi)，水位在晚上18∶00應(yīng)當(dāng)是最高的，因此，不妨把此刻最高的期望水位設(shè)為水箱的最高點(diǎn)。故在加熱周期中，當(dāng)天熱泵補(bǔ)水能力的估計(jì)為:

式中:y為熱泵加熱能力;a為凌晨5∶00水量;b為凌晨3∶00水量;t1為實(shí)際加熱時(shí)間。

平均時(shí)刻水量期望值表達(dá)式為:

式中:z為平價(jià)時(shí)刻水量期望值;c為水箱最大水量;t2為剩余平價(jià)時(shí)間。

最后將當(dāng)時(shí)的實(shí)際水位與該時(shí)刻水量的期望值進(jìn)行比較，決定熱泵的啟停。

在加熱周期的高價(jià)時(shí)段，原則上不開啟熱泵，但為了保證水箱能提供足夠量的水，在一個(gè)加熱周期中設(shè)置一條熱泵啟停安全線。安全線包括了每一時(shí)刻水箱的期望值，當(dāng)水箱液位低于該值時(shí)，啟動(dòng)熱泵與電加熱，以便生產(chǎn)出足夠的熱水供用戶使用。

4 實(shí)際運(yùn)行情況

本文所設(shè)計(jì)的洗浴熱水系統(tǒng)已在某賓館中穩(wěn)定運(yùn)行了較長時(shí)間。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，若天氣晴朗，水箱水位從早晨8∶00開始上升，直到15∶00左右，接近其最大值;若陽光微弱，太陽能集熱器補(bǔ)水能力就會(huì)很弱，而熱泵會(huì)在一天中谷價(jià)時(shí)段和平價(jià)時(shí)段開啟，使水箱液位在6∶00時(shí)仍然上升至最大值。在晚上，水箱中熱水大量用于洗浴，在次日凌晨水箱水位達(dá)到最低。整個(gè)洗浴熱水系統(tǒng)是在按需生產(chǎn)的原則下運(yùn)行的。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于模糊控制的新型節(jié)能洗浴熱水系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用太陽能集熱器、空氣源熱泵組合的方式來制取洗浴熱水，節(jié)能環(huán)保，改變了以往使用燃油鍋爐所帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的情況。同時(shí)，針對太陽能補(bǔ)水大滯后和延遲的特點(diǎn)，采用模糊控制策略。在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定，水位在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)波動(dòng)，符合按需生產(chǎn)的原則。此外，熱泵運(yùn)行時(shí)段避開了高電價(jià)時(shí)段，在一定程度上節(jié)省了電費(fèi)。

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