节能洗浴热水系统的设计与实现

黄彬轲 吴影清 张侃谕

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引言

目前，大多数大型宾馆酒店都使用燃油锅炉来制取洗浴用水，以供入住的顾客使用。这种方式虽然能产生足够量的热水，但由于热源对环境污染严重，不能适应当今社会可持续化发展的要求［1］。同时，考虑到现今油价的不稳定，其突然攀升也必将给宾馆酒店带来一定的损失。

针对洗浴热水系统现阶段存在的能源问题，以按需生产、合理输送、实时控制和综合优化为目标，设计节能系统已成为业界较为迫切的需求。节能系统应将管理节能和技术节能相结合，从而达到综合节能的目的，以较小投资实现较大的节能回报。

1 系统结构设计

本文采用太阳能集热器与空气源热泵(air source heat pump，ASHP)相结合的方式制取洗浴热水，具有高效、节能且环保的优点;同时，充分利用峰谷电价差，优化热泵运行策略，以达到节约电费的目的。

太阳能作为清洁廉价的替代能源，优势十分明显。系统优先利用太阳能集热器生产热水，在满足初期成本和安装空间的情况下，尽可能扩大太阳能集热器的规模，提高节能效果。在系统设计过程中，需要充分考虑宾馆酒店洗浴热水的需求量。一般情况下，供三四百人入住的大型宾馆酒店的冬季日用水量约为60 t，平均水温为55℃;而春秋夏季日用水量约为45～50 t，平均水温为55℃。

空气源热泵是以空气作为热源进行供热的装置，能以较低的能量消耗将低温位热能输送至高温位，较以往使用的燃油加热方式，其能效比更高。本文采用的空气源热泵的平均能效比(coefficient of performance，COP)为 4.6，最高可达 5.7，冬季最低为 2.5［2］。热泵与燃油锅炉的费用比较如表1所示。

表1 费用比较Tab.1 Cost comparison

在表1中，分别采用空气源热泵和燃油方式，在相同条件下对1000 kg初始水温为20℃的生活用水进行加热，使温度升高35 K。其中，加热所需热量为35000 kcal;能源价格按商用电费0.90元/(kW·h)计算;轻柴油按5.00元/kg计算。

此外，空气源热泵还具有安装使用方便、能量利用效率高、温室效应小以及环保等众多优点。因此，应用广泛［3］。

在选择空气源热泵的容量时，既要充分考虑到酒店宾馆用户的用水需求，又要考虑到太阳能集热器生产热水的能力。同时，约定热泵一天内开启时间最多不超过16 h，以避免高电价时段产生的高额电费。

空气源热泵机组的产水量主要与气温有关，本文参照上海平均气温报告和热泵机组的特性曲线，设计4台使用77 kW热泵热水机组，输入功率为18 kW×4。当上海冬季夜晚的平均气温为5℃时，77 kW×4台热泵机组每小时可生产55℃热水4.4 t，而春秋季夜晚的平均气温15℃，则热泵每小时可产热水7.2 t。由于在夏季，较高的平均气温使得空气源热泵拥有较高的COP值，即拥有较强的产热水能力，所以在进行系统设计时，只要冬季和春秋季节的热水需求得到满足，夏季便自然符合设计需求。热泵运行时间的具体设计如表2所示。

表2 热泵运行时间的设计Tab.2 Design of pump running time

表2中，x为热泵产水能力;y为太阳能产水量;t为热泵运行时间;z为热泵产水量。

设计过程中，考虑到要尽可能地将一天中的太阳能转为热能生产热水，太阳能便充当了生产热水的前锋;而空气源热泵将作为主力加热器件，以保证生产足量的热水供顾客使用。

在设计时，还要特别考虑酒店宾馆的用水情况、分时电价情况以及宾馆酒店所处地域等情况，这样才能正确配置洗浴热水产能设备，合理编写节能算法。

为提高系统的稳定性，必须提高控制对象信息采集的可靠性。故在设计水箱液位和温度的采集方式时，分别安排三组通道，每组通道均分布在水箱的不同区域，对保温水箱的水温与液位进行采集。具体的洗浴热水节能系统框图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Drawing of system construction

2 控制系统硬件设计

节能洗浴热水系统的控制部分采用西门子S7-200系列的PLC作为主控制器，对各种阀泵的启停采用数字量模块EM221进行输出控制;对各种温度、液位等模拟量采集使用模拟量采集模块EM231;同时，使用西门子人机界面设备TP177B DP PN对整个节能洗浴热水系统进行交互控制。硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Design of hardware

在系统设计过程中，加入EM277模块，使系统具有Profibus总线通信能力［4］;同时，在上位机中插入西门子通信卡CP5611，并安装相应的组态软件(如第三方的力控软件或西门子的WinCC Flexible)，从而采用西门子的PC Access在上位机中建立一个OPC Server，供各种组态软件对挂载在Profibus总线上的节能洗浴热水系统进行远程监视和控制［5］。

本系统使用的S7-224XP只具有两个串行数据接口，其中一个通过自带的MPI协议连接西门子人机界面设备，另一个作为自由口，与热泵进行通信，从而控制热泵机组的运行。这样，当系统正常运行时，PLC上就不能插入调试接口进行在线调试运行，此时可以借用EM277，通过与上位机通信的Profibus总线来调试PLC程序。在系统运行中，PC端上位机通过Internet获知次日气象信息，并估计次日太阳能集热器的出水能力，从而决定当晚至次日凌晨低电价时段热泵的运行时间。

3 节能控制软件设计

节能洗浴热水系统的软件设计主要包括模拟量的采集与滤波、太阳能集热器的控制、热泵的分时电价节能运行程序、热泵基于安全线的运行模式、综合节能运行模式、历史数据记录与统计和各种电动阀的控制接口程序［6－9］。

3.1 模拟量采集

为使系统在稳定可靠的状态下运行，各类模拟量采集必须保证真实有效，所以需要对分布在不同位置的同一种状态量采集值进行均值滤波处理，即将新采样值与前五次正确采样值进行平均值运算;然后对不同位置采集到的同一种状态量数据进行分析，得出系统正确的运行状态。模拟量采集程序流程如图3所示。

图3 模拟量采集程序流程图Fig.3 Program flow of analog acquisition

3.2 太阳能集热器补水

太阳能集热器的补水回路采用双输入单输出的模糊控制器来控制，由太阳能集热器的出水口管温、水箱水温以及水箱液位来确定太阳能集热器出水的流量。太阳能补水模糊控制结构如图4所示。

图4 太阳能补水模糊控制结构图Fig.4 Structure of solar energy make-up water fuzzy control

图4中，选择液位差eh、温差et、温差改变量Δet作为模糊控制器的输入量，并将它们进行x∈［a，b］到x'∈［－6，6］的尺度变换，使其落入［－6，6］的常用模糊控制论域范围内，a与b分别为物理量实际采集值的最小值和最大值。尺度变换的表达式为:

由于S7-224XP的计算能力较弱，且对太阳能放水的控制精度要求不高，故将输入输出论域均匀离散化后再模糊分割成五个模糊子集，即:PL(正大)、PM(正中)、ZE(零)、NM(负中)和 NL(负小)，并根据经验确定各个模糊子集所对应的隶属度。

在系统运行中，如果水箱水位h超过水箱水位期望值h*，那么u应该输出为0，太阳能出水阀关闭，即有规则 If［＜ eh=PL or PM or ZE ＞］Then［u=ZE］。根据经验与调试情况，建立其余规则，具体规则如下。

无温差时关闭太阳能:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=PL or PM or ZE＞］Then［u=ZE］。当太阳能因补水过猛而导致太阳能集热器内降温速度过快，则太阳能出水阀开度降低:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞ and ＜Δet=NL＞］Then［u=NM］。如果太阳能补水能力较强时，则进行大开度补水:If［＜eh=NL＞and＜et=NL＞and＜Δet=ZE or NM or PL or PM＞］Then［u=NL］;如果太阳能补水能力较弱时，进行小开度补水:If［＜eh=NL or NM＞and＜et=NM＞］Then［u=NM］。如果水箱快补满了，则尽量吸收完太阳能的热量:If［＜eh=NM＞and＜et=NL＞］Then［u=NL］。最后用Mamdani法计算出模糊蕴含关系［5］，得出模糊控制总表并存储在 PLC中。系统在运行过程中，实时调用该表来控制太阳能出水阀的开度。这一过程所需的计算量非常少，完全可以满足对PLC实时性的要求。

3.3 热泵补水

对热泵补水的控制要充分考虑到分时电价的情况与用户的用水需求，结合太阳能补水情况进行综合节能。其总体节能策略是:在任何时刻，都将太阳能的水温水箱期望值h*设为水箱最高水位，以保证太阳能作为补水先锋，保证一天内能用尽太阳能所产生的热量;其次，热泵按照酒店热水使用需求来安排加热时间，同时按照峰谷电价情况避开高电价时段。

通常情况下，酒店的峰价时间分别为8∶00～11∶00、13∶00 ～15∶00、18∶00 ～21∶00。这几个时段的电价十分昂贵，原则上，热泵不在上述时间段开启。22∶00～6∶00为谷价时间，电价相对便宜，是使用热泵较好的时间段，其他时间为平价时间段。由此可见，晚上18∶00～21∶00原则上是不开启热泵的，但此时又无法使用太阳能。而根据酒店用水历史记录可知，大量的洗浴用水往往都是在这一时段消耗掉的，所以在晚上21∶00这一时刻的热水存储量是一天内最少的。由此，以晚上21∶00～次日21∶00为一个加热循环周期。

在加热周期中的低价时段，热泵补水至凌晨目标值。该值决定了热泵在低价时间对水箱的补水量。如果这个量过大，那么就有可能在白天阳光较好的情况下，由于水箱已快补满热水，导致太阳能所产生的热水不能进入水箱，违背节能的原则;如果是在大冬天，气温较低，在热泵能效比也较低的情况下，热泵凌晨目标值较小，就有可能在晚上18∶00时刻，热泵无法将水位加热到水箱最高点。所以此值需要由用户设定或由上位机通过网络获知当日天气信息，然后再通过Profibus传入到PLC来决定。

由于在一个加热循环周期内，水位在晚上18∶00应当是最高的，因此，不妨把此刻最高的期望水位设为水箱的最高点。故在加热周期中，当天热泵补水能力的估计为:

式中:y为热泵加热能力;a为凌晨5∶00水量;b为凌晨3∶00水量;t1为实际加热时间。

平均时刻水量期望值表达式为:

式中:z为平价时刻水量期望值;c为水箱最大水量;t2为剩余平价时间。

最后将当时的实际水位与该时刻水量的期望值进行比较，决定热泵的启停。

在加热周期的高价时段，原则上不开启热泵，但为了保证水箱能提供足够量的水，在一个加热周期中设置一条热泵启停安全线。安全线包括了每一时刻水箱的期望值，当水箱液位低于该值时，启动热泵与电加热，以便生产出足够的热水供用户使用。

4 实际运行情况

本文所设计的洗浴热水系统已在某宾馆中稳定运行了较长时间。在系统实际运行过程中，若天气晴朗，水箱水位从早晨8∶00开始上升，直到15∶00左右，接近其最大值;若阳光微弱，太阳能集热器补水能力就会很弱，而热泵会在一天中谷价时段和平价时段开启，使水箱液位在6∶00时仍然上升至最大值。在晚上，水箱中热水大量用于洗浴，在次日凌晨水箱水位达到最低。整个洗浴热水系统是在按需生产的原则下运行的。

5 结束语

本文设计了基于模糊控制的新型节能洗浴热水系统。该控制系统采用太阳能集热器、空气源热泵组合的方式来制取洗浴热水，节能环保，改变了以往使用燃油锅炉所带来的环境污染和资源浪费的情况。同时，针对太阳能补水大滞后和延迟的特点，采用模糊控制策略。在实际运行过程中，系统稳定，水位在预计的范围内波动，符合按需生产的原则。此外，热泵运行时段避开了高电价时段，在一定程度上节省了电费。

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