作为绿色清洁能源，太阳能已被广泛认可并开发利用，但由于太阳辐射的不稳定性，太阳能的有效热利用会受到季节、天气、昼夜等因素的影响［1-3］，尤其在寒冷季节，常用的太阳能热水管道可能会因温度低或突然降温而发生冻结冻裂的现象，甚至冻破其他连带的用水设备，造成系统运行受阻，给人们冬季利用太阳能热水取暖造成了困扰［4-5］.为解决此难题，传统太阳能工程系统多采用加厚保温和电伴热带加热技术，这不但需要消耗大量保温材料和人工费用，加大了系统运行成本，还存在一定的安全隐患［6-7］.因此如何在尽量不增加系统成本的基础上来解决冬季气温过低造成的系统瘫痪，同时提高系统稳定性是太阳能工程人员和企业关注的热点［8-9］.本文以研究太阳能热水工程的控制系统作为解决这一问题的重要突破口，在恒温供水太阳能热水工程的基础上提出新型控制系统的开发和利用，并针对系统的防冻性能展开经济性分析，以期该研究结果在促进太阳能热水系统不断完善的同时，为行业的进一步发展提供必要参考.
1恒温太阳能热水工程系统特点
太阳能热水系统是利用太阳辐射能对水进行加热的装置，由太阳能集热器、管道循环系统、贮水箱、自动控制系统和辅助加热系统五部分组成［10］.如图1所示，在采用定温放水和温差循环模式的运行条件下，集热器内的水被逐渐加热，当水温达到所设定温度时电磁阀开启，冷水从集热器联箱底部进入，把热水顶出，通过循环管路放到储热水箱中.这样，一天当中只要有太阳光辐射就可随时产生热水，当储热水箱水位达到上限设定值时，电磁阀关闭，定温放水停止.此时，如集热器内水温与储水箱温度差达到设定值时，热水循环泵启动，将储热水箱的水推入集热器内二次加热，太阳不足时可采用电加热辅助，从而既可以满足洗浴要求，又充分地利用太阳能，达到节能环保的目的.而恒温太阳能热水系统的特点在于通常含有两个水箱，分别是储热水箱和恒温水箱.恒温水箱的目的就是为了保证时时有热水供应，而储热水箱就是为了在恒温水箱的水不够的情况下及时补充水源，以保证用户使用，如果温度达不到所需要的温度，恒温水箱就会通过自动加热以达到所需要的温度，因为在一个水箱里加热，可以控制水量，能实现最大的节能降耗.由此不难看出，恒温热水工程系统比较好地解决了用户随时开随时有热水使用的问题，但依然无法回避当环境温度比较低时，管路易冻结造成系统运行不畅而面临的崩溃.
2新型控制系统设计及功能应用
2.1系统设计
在不影响系统稳定性的前提下，本着合理利用资源和有效回收余热的原则，本文对恒温太阳能热水工程提出一种新型太阳能热水工程控制系统.通过在热回水管道和集热器底端进水管道设置温度探头T4和T5以及从热回水端引出管道至集热器底部的进水端进行控制系统设计，见图2.在该控制系统下不但能实现太阳能热水工程系统的自动上水、恒温放水、温差循环和管道循环等实用功能，还能在不增加运行成本的基础上加强和巩固系统防冻，整个过程的控制和指令输入均可通过PLC远程控制器来完成.
2.2主要功能
2.2.1自动补水以PLC为核心组成太阳能热水工程控制系统，采用电磁阀自动补水，当储热水箱水位低于设定水位时打开电磁阀EMV1，经由集热器进行补水，当达到设置水位时，电磁阀关闭，停止上水.此种补水方式是冷水经由集热器系统加热后补给储热水箱，同时冷水又自动补入集热器中被循环加热.当恒温水箱水位低于设定值时，循环泵P2自动启动，将储热水箱中的温水直接打进恒温水箱.2.2.2恒温放水通过PLC设置恒温水箱的温度，当温度传感器T2显示从储热水箱过来的补水温度高于温度传感器T3的设定值时，电磁阀EMV2启动，将冷水补入以调节水箱温度至设定值；若从储热水箱过来的补水温度低于设定值时，恒温水箱自带电加热装置启动，将水箱温度升温至设定值，从而保证用户用水时水温恒定.2.2.3温差循环通过PLC设置，当太阳能集热器内水的温度传感器T1显示比储热水箱内的温度传感器T2的设定值高时，集热循环水泵P1自动启动，两者进行温差循环；当两者之间的温差小于设定值时，P1停止运行，从而实现热量的不断传递和存储.2.2.4管道循环通过PLC设置室内用水管道上温度，即热回水管道的温度传感器T4探测到低于设定值时，变频泵B1和电磁阀EMV3打开，管道中的冷水进入恒温水箱进行热量交换和循环；当T4显示升高达到另一设定值时，变频泵和电磁阀均关闭.对于太阳能热水工程来说，其供水管线一般较长，管路内存水易变凉且影响使用，通过流体在管路循环受热，可有效地避免管道冻结.2.2.5防冻功能本文设计的控制系统在防冻功能上可进行三种模式的设置，各模式间可单独设置也可交叉设置，多种防冻模式的存在可在系统出现局部障碍时进行及时切换，从而保证系统防冻功能可靠稳定的正常运行.第一种模式充分利用储热水箱的热量.当室外集热器进水端管路中的温度传感器T5探测温度低于设定值1（一般略高于冰点）时，循环泵P1启动，储热水箱内热水进入集热器底端的冷水管道，并在T5探测到进水管路温度上升到所需设定值2时停止.第二种模式充分利用热回水中的热量.当室外集热器进水端管路中的温度传感器T5低于探测温度设定值1（同上）时，电磁阀EMV4启动，变频泵B1自动打开，回水管路的热水进入集热器底端的冷水管道，并在T5探测到进水管路温度上升到所需设定值2时，电磁阀和变频泵同时停止.第三种模式同时利用储热水箱和热回水中的热量，当室外集热器进水端管路中的温度传感器T5探测温度低于设定值1（同上）时，循环泵P1启动，储水箱内热水进入管道，并在T5探测温度上升到所需设定值1’（介于设定值1与设定值2之间）时停止，当T5探测温度达到设定值2’（介于设定值1与设定值1’之间）后，电磁阀EMV4启动，变频泵B1自动打开，利用回水余热对管道进行循环加温，当T5探测温度上升到设定值2时，B1和EMV4停止工作，从而有效预防管路被冻结.
2.3新型系统控制方案图
图3是新型控制系统控制方案图，即新型控制系统的实现可以通过PLC主机、温度模块以及GPS网络模块对采集数据处理后由计算机或者触摸屏进行远程控制和操作，也可以根据实际工程客户的需要采用比较经济的控制方案，如图3中虚线框内所示采用单片机对采集数据进行处理，最终由LED数码管显示，将结果输出并进行控制和操作，从而实现太阳能热水系统各功能的远程控制.不难看出，上述控制系统的设计改变了传统储热水箱由外接冷水直接给予补水的方式，而是利用集热器模块中具备一定温度的传热介质水给予补充，实现太阳能量的最大化采集.此外，在不影响系统正常运行的条件下，通过对热回水管道和集热器底端进水管道温度的探测，设定相应的控制模式定期进行管道循环，不但合理利用热回水中的热量，也避免了以往热水工程中为防止热水管道内存水变凉而长时间运行管道泵导致能耗增加的弊端.特别是在室外温度较低时，在不增加系统运行成本的基础上，几种防冻模式之间可相互补充和切换，实现了进一步加强和稳固系统防冻功能的目标，也避免了采用电伴带加热防冻带来的安全隐患.
3工程实例及经济性分析与对比
为了验证防冻运行效果的经济性，在河南郑州2014—2015年间的采暖季对新型控制系统防冻模式下的运行进行了测试，并与前期电伴热带防冻时的经济性进行了简单比较.
3.1工程基本概况及参数设置
对位于河南省郑州市区某宾馆独立的恒温出水太阳能热水工程系统开展新型控制系统的改造测试，该宾馆日需用水量在5t左右，集热面积58m2，集热模块数目共计10组，恒温水箱和储热水箱容积分别为2t和3t.根据实际场地条件，集热模块按2层布置在宾馆屋顶见图4.该工程控制系统采用PLC主机加温度模块加GPS网络模块的控制方案，其基本设置如下：当太阳能集热器内水的温度传感器T1与储热水箱内水的温度传感器T2温差大于5℃时，P1启动，当两者温差小于2℃时，P1停止；恒温水箱的出水温度设置为45℃；室内用水管道上温度传感器T4小于30℃，EMV3启动，T4达到40℃时，EMV3停止；防冻模式的启停温度分别为5℃和12℃，当室外集热器进水端管路中的温度传感器T5低于5℃时，P1启动，达到10℃时，P1停止；当T5达到8℃时，B1和EMV4同时启动，当T5达到12℃时，两者停止.
3.2经济性分析与对比
河南省郑州市区供暖期时间为当年11月至次年3月，表1是对上述太阳能热水工程系统的防冻运行费用进行了简单的经济性分析.需要指出的是，本次测试中该运行系统主要采用第三种防冻模式，因系统一直运行良好并没有进行模式切换.对比以往该系统采用电伴热带防冻所需年费用不难看出，新型控制系统防冻时的费用较少，且随着使用时间的延长和系统规模的增大，节省运行成本的优势会更加突出.
4结论
在环境污染日趋严重的今天，热水供应工程系统应大力发展太阳能资源并采用可靠的防冻方式.新型控制系统在充分利用原有系统设备的基础上实现了进一步加强和稳固防冻功能，减少了系统的运行成本，还对余热资源进行了合理利用，减少了能耗和安全隐患.另外，该系统随着使用时间的延长和系统规模的增大，节省运行成本的优势会更加显著.不难理解，通过对控制系统的合理设计利用余热回收等思路来有效地实现太阳能热水工程系统在寒冷时节的防冻功能是一条可以继续开拓的道路.
作者：赵柳洁 贺立三 张强 贾兵 胡国华 刘东升 单位：河南省科学院 能源研究所有限公司
