一种小户型智能太阳能取暖系统

刘明 蒋相广 孙树志 张哲维 宋瑾瑾

摘要：利用太阳能提供能源，设计了一个可以全天为乡村家庭供暖的智能系统。本系统主要包括太阳能热水器、储热水箱、暖气管道、太阳能电池板储能装置和控制系统五部分。还包括循环水泵、单向阀、换向阀、温度传感器、控制器、电加热装置等。本文介绍了系统工作过程，储热水箱内部构造，太阳能热水器加热一次理论上功率计算过程，最后具体介绍了工作原理和控制方案。

关键词：太阳能热水器；太阳能供暖；智能供暖系统

目前，农村供暖主要有火炉供暖、电加热暖器片供暖、柴火烧水加热暖气片供暖等方式，这些方式有消耗电能、污染环境、不方便、需要人定时看守等缺点。也有仅利用太阳能热水器来加热暖气片的，但是这样只能在白天供暖，在夜里，室内的温度就没法保障了。而本系统纯粹利用太阳能，可以保障全天供暖，符合绿色环保要求，不会对环境造成任何污染，符合现代农村特别是偏远农村的实际使用需求，具有很好的社会效益和经济效益[1]。

1 系统设计方案

1.1 系统组成

本系统主要包括太阳能热水器、储热水箱、暖气管道、太阳能电池板储能装置和控制系统五部分。还包括循环水泵、单向阀、换向阀、温度传感器、控制器、电加热装置等[2]。

1.2 工作过程

在太阳能热水器、储热水箱、暖气管道三者间布置水循环管道，使在换向阀和水泵的作用下，两两间可以进行水循环。通过水泵和换向阀的作用太阳能热水器向暖气管道注水，水流经过暖气片后再回流入太阳能热水器，经过水流在太阳能热水器和暖气片之间的循环流动来加热暖气片；太阳能热水器将热水注入储热水箱，储热水箱中冷水回流入太阳能热水器中，使二者间冷热水互换；储热水箱中热水注入暖气管道中，暖气管道中冷水回流入储热水箱内。将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存，一部分用于控制系统用电，另一部分在室温下降到一定温度后用于加热暖气片中水。

1.3 储热水箱结构特点

在储热水箱与太阳能热水器和暖气管道冷热水交换过程中，为了达到良好的效果需要对储热水箱内部结构进行设计，储热水箱应具有保温功能，为防止流入水与水箱内水混合，在水箱内部划分了多层，层与层间设置单向装置，经过这样改造，就能实现冷热水互换。

2 太阳能热水器的功率理论计算

3 工作原理及控制方案

冬季，在一定太阳光照条件下，太阳能热水器一般加热低温水效率比较高，当升到一定温度后，就很难再提升温度了。例如，以安装20支管，水箱内径为330，水容量为150升的热水器为考察对象，只要满水，阳光充足，晒二个小时以上，均可产生40℃以上热水。上午时段，太阳能热水器水被加热后，把这些热水与暖气管道中凉水互换，就可加热暖气片。一段时间过后，暖气管道中水再次变凉，而太阳能热水器中水再次被加热，这样再进行下一轮冷热水互换。中午时分，室内温度基本被升高，室外温度也相对没那么冷，这时就可以将太阳能热水器中热水注入到储热水箱中备用。下午时分再次将太阳能热水器中水与暖气管道中水互换。晚上，当检测到室内温度下降到一定温度时，可以启用储热水箱中热水。

太阳能电池板全天都处于储能状态，其所储存电能一部分用于控制系统的供电；另一部分留作備用，待储水箱中热水没了，或在连阴天时，对暖气片进行电加热。这样就基本能保证系统的全天供暖。

为了充分利用太阳能资源，最大程度保障室内温度，需要有较好的控制方案。由于天气情况多样，日照强度不同，本系统采用设定时间控制、温度控制、设定时间和温度联合控制等多种控制方案[3]。

（1）设定时间控制：适用于白天光照条件较好的情况下，设定固定时间在太阳能热水器、储热水箱、暖氣管道三者之间进行冷热水互换。

（2）温度控制：根据温度传感器检测到的太阳能热水器、储热水箱、暖气管道三者之间温差，来控制三者之间水流的循环。

（3）设定时间和温度联合控制：这种方案是以时间控制为主，以温度控制为辅，来控制水循环。

控制系统图如下所示：

4 总结

本设计纯粹利用太阳能，不会对环境造成任何污染，利用太阳能热水器、储热水箱和太阳能电池板储能装置联合对暖气管道供暖，可以充分利用太阳能资源，最大程度保障室内温度。太阳能电池板储能装置为整个控制系统提供电能，不会对家庭用电带来一点消耗。系统造价成本较低，可直接改造现有太阳能热水器，利于普及推广[4]。供暖过程全部自动控制，操作方便，无需专人值守。本设计符合绿色环保要求，符合现代农村特别是偏远农村的实际使用需求，起到节能减排的效果。

参考文献：

[1]张重继，刘继广，王海洋.家庭智能太阳能系统的研究.科技视界，2013（33）：8.

[2]华磊.太阳能热水器智能控制装置.广西大学工程硕士学位论文，2012，12.

[3]张先臣.一种实用的太阳能热水器单片机控制器的设计.自动化与仪器仪表，2005（6），1921.

[4]马本，宋国君，杜倩倩.中国太阳能热水器成本分析方法与应用研究.中国人口资源与环境，2012，22（11）：150156.

作者简介：刘明（1988），男，汉族，山东枣庄人，在读研究生，研究方向：机器人技术。