主动式太阳房电辅助加热型水加热采暖系统节能控制策略研究

董鋆刚

（酒泉新能源研究院;酒泉职业技术学院  甘肃 酒泉 735000）

摘要：以酒泉地区主动式太阳房水加热采暖系统为例，通过系统的控制方法及运行过程分析，提出了主动式太阳房电辅助加热型水加热采暖系统的优化控制策略。

关键字：主动式太阳房；水加热采暖系统；优化控制；

引言

主动式太阳房水加热采暖系统是利用温室原理将太阳能转变为热能，并通过水温向室内传递热量，从而提升室内温度的一种装置。它是太阳能热利用产品中，技术比较成熟、热效率较高、应用领域较广、经济效益较好的一种产品。但太阳能水加热采暖系统易受天气状况的影响，在阴雨天气或冬季阳光不足时需增加辅助热源来满足室内水加热采暖的需求。电辅助加热系统具有结构简单、加热速度快等优点，可以在太阳能不足时辅助太阳能水加热系统满足全天候稳定供应恒温热水的要求，主动式太阳房电辅助加热型水加热采暖系统的节能效果很大程度上取决于其控制策略, 目前大多采用定时控制或定温控制, 不能使太阳能得到最大化的利用，存在很大的节能空间。

一、电辅助加热型太阳能水加热采暖系统的结构

电辅助加热型太阳能水加热采暖系统的结构如图1所示，此系统以太阳能集热器和电辅助加热装置为热源。当有太阳能可采集时开动水泵1，使水在集热器与水箱之间循环，通过吸收太阳能来提高水温，当太阳能不足时关闭水泵1，开启电辅助加热装置，对储热水箱中的水采用电加热方式升温。该系统的集热器-储热部分-电辅助加热部分-负荷部分可以分别控制。水泵2的作用是保证负荷部分采暖热水的循环，旁通管的作用是为了避免辅助能量去加热水箱。

在太阳能集热器的出口和储热水箱的底部出口分别设置温度传感器T1和T2，在储热水箱的上部和底部分别设置水位传感器H1和H2，通过电动水阀D1控制太阳能集水器水路的通断，D2和D3控制电辅助加热系统旁路管的通断，D4控制冷水入口的通断，D5控制热水供应水路的通断。

图1.电辅助加热型太阳能水加热系统

二、系统的供水要求及控制方法

1.系统供水要求

本系统设计储热水箱体积为15m³，出水温度为30℃，室内温度维持22℃左右，供暖时间为8:00—18:00。

2.系统控制方法

为了保证能满足供暖要求，采用了如下控制方法：

（1）对太阳能集热器的控制：8:00-18:00，打开D4、D5，当T1-T2≥5℃,打开D1,启动循环泵1，当T1-T2≤5℃,关闭D1,停止循环泵1； 18:00-8:00，关闭D1、D4、D5，集热器停止工作。

（2）对辅助加热系统的控制：8:00-18:00，打开D1，当T2<30℃时，打开D2、D3，启动循环水泵2，启动电辅助加热系统；当T2≥30℃时，关闭D2、D3，停止循环水泵2，停止电辅助加热系统；18:00-8:00，关闭D1、D4、D5，电辅助加热系统停止工作。

根据酒泉地区的气象数据，通过实际测试发现，在供暖时段出水水温总是大于30℃，最高可达45℃，但由于太阳能集热器是对30℃的热水进行加热，效率较低。太阳能集热器供热只占总供热的25%左右，即使在太阳最充足的天气，也只占到38.2%，太阳能未能达到充分利用。

三、系统控制策略的改进

为了使太阳能的利用效率达到最佳，必须采用太阳能集热器优先供热的策略。由于太阳光的强度具有不可预测性，需要实时进行监测，因此，将控制策略改进为：

8:00-18:00，每0.2h监测一次，当T1-T2≥5℃，关闭电辅助加热系统，关闭循环水泵2，打开D1、D4、D5，启动循环水泵1；当T1-T2<5℃且T2<30℃,关闭循环水泵1、关闭D1，打开D2、D3,启动循环水泵2，启动电辅助加热系统；当T1-T2<5℃且T2≥30℃,关闭循环水泵1、关闭D1，关闭D2、D3,关闭循环水泵2，关闭电辅助加热系统。

根据改进后的优化策略，结合酒泉地区的气象数据，通过测试分析发现，在正常供暖时段可以保证出水温度在30℃以上，且太阳能集热器的供热占总供热的48.6%，太阳能的利用率提高了23.6%。全年电能节约38.8%。

表1  改进前后系统的电能耗数据（KWh）

四、结语

根据对电辅助加热型太阳能水加热采暖系统的具体控制策略测试分析可以看出，太阳能集热器供热占总供热的比例较低，太阳能的利用很不充分，利用效果不佳。通过改进控制算法，在确保采暖时间、采暖温度不变的前提下，使太阳能的利用效率得到大幅提升，全年采暖节约电能约38.8%。

参考文献:

[1] 王建玉. 空气源热泵辅助太阳能热水系统的节能控制策略研究[J].可再生能源，2018，（6）：25-28.

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