目前国家大力推进可再生能源利用, 太阳能热水系统是最常用的可再生能源利用, 价格实惠, 性能可靠, 得到了广泛的应用。但一直以来, 集中式太阳能热水系统 (以下简称集中系统) 一直是政策推动市场, 市场的主动接受度并不高, 市场对集中系统的质疑声主要有两点, 一是节能量的多寡, 二是热水品质, 只有有效解决这两个问题, 才能让市场真心诚意接受集中系统, 让太阳能热水产业得到长足的发展。

　　 影响节能量大小的因素很多, 控制系统是其中一项重要的影响因素, 在分析传统太阳能集中系统控制方法的基础上, 就开式水箱集中系统的控制方法提出一个新的思路———一种利用天气预报的集中式太阳能热水系统的控制方法 (已申请专利, 申请号201510989914X) , 可供设计及产品开发参考。

　　 传统的集中系统主要控制方法如下:

　　 (1) 自动上水功能。当水箱水位降至下限水位时, 自动上水, 加水至上限水位或水箱温度降至45℃以下时自动停水, 上下限水位可在水位分档处任意设定;同时也可以设定任意3次定时上水时间。

　　 (2) 自动辅助加热功能。用户可任意设定辅助加热启停的水箱温度上下限, 当温度低于下限时自动启动辅助加热, 达到设定的温度上限时自动停止;同时也可以设定3次定时加热功能, 如:定时在每天下午5:00检测水箱温度, 如低于设定温度下限且水位未低于20%, 则自动启动辅助热源, 加热至设定的温度上限时自动停止。

　　 一个完整的控制系统还包括太阳能循环控制, 热水循环控制, 防冻、防干烧控制等控制方法, 但不涉及辅助热源能耗问题, 故不展开。

　　 传统控制方法对于如何更节能运行有一定考虑, 比如可设定任意3次定时上水时间以及可以设定3次定时加热功能, 如果配合得当, 确实能起到节能的目的。但笔者在实际工程的调研中发现, 这两个功能常常是被闲置的, 因为对于24h供热的集中系统, 安装时无法预测该系统的实际日用水量, 长时间保持低水位也可能会造成高峰用水时热水续不上, 而且对于安装厂家也没有运行能耗的约束措施, 所以厂家为保证系统的正常运行, 常常设定自动上水的下限水位为80%, 这样一来, 当晚上热水用水高峰过后, 即使明天日照非常好, 最多也只有20%的热水是由太阳能制备的, 这就造成了没有充分利用太阳能的结果。

　　 建筑给排水工程师设计了很多形式的太阳能热水系统, 有承压水箱、开式水箱、单水箱、双水箱、太阳能预热等, 辅助热源选择有空气源热泵、燃气热水炉、电加热等, 两者相互组合形成了很多不同类型的太阳能热水系统。国标图集和给排水工程师一般仅指定太阳能集热面板的温差循环控制方法, 不设计辅助热源的启停控制方法, 因为控制方法很难用设计制图的方式描述, 明天天气的未知和明天用水量的未知是最大的变量。图审和节能评估也只是要求做或不做太阳能, 对于其控制方式及其实测节能量的多寡不做要求, 这就间接导致了太阳能热水系统的控制系统多年来停滞不前。

　　 设想了一种集中式太阳能热水系统的控制方法, 即通过天气预报获得太阳能辐照值预报, 进而计算出太阳能的可能制备量, 使得控制系统通过计算后合理分配辅助热源的启动时间, 对于明天热水用水量的未知, 采用近期热水用水量曲线图叠加安全余量来灵活设定最低热水水位, 系统需要通过按常规方式运行一段时间, 采集到该系统足够的运行数据后计算得出安全余量的取值。该控制方法仅适用于开式热水箱太阳能或空气源热泵热水系统或两者相结合的系统。

　　 以一个常见的开式单水箱工程为例 (见图1) 。

　　 太阳能热水控制系统连接互联网, 通过互联网接收明天各时段的太阳能辐照值和气温数值预报, 根据明天各时段的太阳能辐照值测算太阳能热水设备在单位时间内可能制备的热水量, 根据各时段气温测算空气源热泵热水设备在单位时间内可能制备的热水量。

　　 控制系统计算前若干日该热水系统各时段热水使用量, 如果预测明天各时段太阳能热水制备量加上热水箱剩余热水量均大于各时段热水使用量, 则表示太阳能热水制备速度满足全时段使用要求, 控制系统判断明天不需要启动辅助热源, 全天热水用量均由太阳能热水系统制备;如果预测明天某些时段太阳能热水制备量加上热水箱剩余热水量局部小于相应时段热水使用量, 则表示太阳能制备热水速度无法满足全时段使用要求, 需要辅助热源补足, 控制系统根据计算后确定空气源热泵需要启动的时间段, 如太阳能热水制备量+空气源热泵热水制备量仍小于热水使用量, 则控制系统根据计算后确定启动电辅助加热的时间段, 直至预测的制备热水总量在各时段上均大于使用量, 其中空气源热泵运行时间段和电辅助加热运行时间段即为控制方案。

　　 为减少太阳能和空气源热泵的预测制备热水量与实际制备量的误差带来的影响, 系统每隔一定时间按上述方法重新计算校核控制方案。

　　 不同形式和品牌的集中式太阳能热水系统有不同的热水制备能力, 在相同的辐照值条件下的热水产量不同, 不同形式和品牌的空气源热泵也有不同的热水制备能力, 在相同的气温条件下的热水产量不同, 因此, 系统需要按常规控制方法运行一段时间, 收集在不同辐照值条件下该太阳能集热面板的实际热水制备量, 收集在不同气温条件下该空气源热泵的实际热水制备量, 得出该系统特定的辐照值-太阳能热水制备量曲线和气温-空气源热水制备量曲线, 用于该系统的预测。

　　 以下参数中的k为当天日期, 比如20150910, i为24h内每1h的分段编号, 比如每日凌晨1:00时i为1, 2:00时i为2, 以此类推, i数值最大为24。

　　 V———热水箱满水水量, m³, 精确到0.1m³;

　　 C_ki———热水箱水位, %, 精确到1%;

　　 L_ki———冷水补水计量表读数, m³, 精确到0.1m³;

　　 R_ki———热水箱热水水温, ℃;

　　 W_ki———冷水水温, ℃;

　　 P_ki———前7天的日均1h热水用水量, m³, 精确到0.1m³;

　　 T_ki———根据每小时太阳能辐照值预报测算 (i-1) ~i时段太阳能制备的热水量, m³, 精确到0.1m³;

　　 Q_ki———根据天气预报中的气温值测算 (i-1) ~i时段空气源热泵制备的热水量, m³, 精确到0.1m³;

　　 D_ki———根据当天冷水水温测算 (i-1) ~i时段电热制备热水量, m³, 精确到0.1m³;

　　 m———安全系数, 根据当天入住率与前7天的平均入住率的比值确定, 比值小于1.1则取1.1, 大于等于1.1则取实数;

　　 TL_ki———预测的太阳能累计制备量与当前热水箱水量之和, m³;

　　 Z_ki———预测的太阳能累计制备量与当前热水箱水量与辅助热源累计制备量之和, m³;

　　 F———是否有峰谷电, 是F=1, 否F=0, 由人工通过控制系统输入设定。

　　 步骤1 (计算mP_ki) :每天1:00计算前7天日每个i时段累计热水用水量, P_ki={[L (_k-1) _i-L (_k-2) ₂₄+C (k_-1) iV-C (k_-2) ₂₄V]+[L (k_-2) i-L (k_-3) ₂₄+C (k_-2) iV-C (_k-3) ₂₄V]+[L (_k-3) _i-L (_k-4) ₂₄+C (_k-3) _iV-C (_k-4) ₂₄V]+[L (_k-4) _i-L (_k-5) ₂₄+C (_k-4) _iV-C (_k-5) ₂₄V]+[L (_k-5) _i-L (k_-6) 24+C (k_-5) _iV-C (k_-6) ₂4V]+[L (k_-6) i-L (k_-7) 24+C (k_-6) iV-C (k_-7) ₂₄V]+[L (k_-7) i-L (k_-8) ₂₄+C (k_-7) iV-C (_k-8) ₂₄V]}/7, 形成一组共24个从P_k1~P_k24的数列。

　　 步骤3:比较对应的TL_ki与mP_ki的关系, 如TL_ki均大于mP_ki, 则不启动辅助加热;如部分TL_ki小于mP_ki, 则在TL_ki~TL_k24每个时段叠加Q_kx后形成Z_ki再与mP_ki比较, 仍不足则继续叠加另一个Q_kx, 以此类推, 直至TL_ki均大于mP_ki或叠加完所有Q_kx。当F=1且i≤7时, x按如下顺序取值i, i-1, i-2, …, 1, 9, 10, 11, 12, 13, 14;当F=1且8≤i≤14时, x按如下顺序取值8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 9, 10, 11, 12, 13, 14;当F=0且i≤14时, x按如下顺序取值i, i+1, i+2, …, 14, i-1, i-2, …, 1, 当i≥15时, x按如下顺序取值15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 (以上步骤考虑了峰谷电因素和空气源热泵在下午2:00左右为高效时间段的因素) 。x值即为i时刻系统计算出的空气源热泵需启动的时间段。

　　 步骤4:如TL_ki叠加了所有Q_ki后Z_ki仍小于mP_ki, 则开始叠加电辅助加热D_ky, y按如下顺序取值i, i+1, i+2, …, 24, 直至Z_ki均大于mP_ki。y值即为i时刻系统计算出的电辅助加热需启动的时间段。

　　 步骤5:每个i时刻重复步骤2、3、4, 修正x和y值。

　　 以下采用假设的曲线图 (见图2~图5) , 用更直观的方式说明上述控制方法。

　　 笔者设想的这种控制方法, 是传统控制方法的互联网+, 对于太阳能辐照值预报, 有气象机构能做未来24h每15 min的国内任意经纬度的总辐照值预报, 对于气温同样能做到每15 min一个预报值, 这为这种控制方法的实现提供了数据支持。这种基于互联网+的控制系统还可以进行热水能耗数据的储存、传输、分析并改进自身算法, 热水用水量的实测数据还可以作为修正规范热水用水定额的参考。

　　 给排水工程师精于设计各种形式的太阳能热水系统, 而控制系统属于自动化控制专业, 只有当两者有机结合在一起时, 才能发挥出太阳能热水系统最大的节能能力。