创新技术-国喜三合一热水工程控制系统

　

国喜“太阳能三合一承压热水工程控制系统”的基本技术原理是巧妙地利用太阳能集热板吸收太阳能量后不断直接加热经过太阳能集热板中的冷水，并通过热水水满温差循环和直热式智能型空气能、电能辅助加热，从而实现太阳能、空气能、电能的有效互补，能随时为用户提供所需的热水，并由此达到高效节能和高效节水的目的。其依据的技术原理如下：

一、国喜热水工程的工作原理

太阳能承压热水工程工作原理如下图所示。构成太阳能热水工程的主要部件有太阳能集热器、储水保温水箱、供回水管道及保温系统、辅助加热系统、智能控制系统及外部设备（如：循环泵、电磁阀及伴热带）等部分组成。

太阳能承压热水工程具体工作过程如下：当阳光照射到太阳能集热板上时，太阳辐射能量透过玻璃盖板，被集热板有效吸收。当光子撞击膜层的时候，光能转化为热能，并沿肋片和管壁把能量传递到吸热管内，吸热管内的水吸热后温度升高，集热器内设有温度传感器，当温度达到设定值时，传感器将感测的信号送达电气控制柜，然后电气控制柜将电磁阀启动，冷水进入太阳能集热板，通过水压将集热器中加热了的热水挤到保温水箱中储存。当集热器内的热水温度低于设定温度时，电磁阀自动关闭。由此不断往复工作，直到设定温度的热水储满保温水箱为止。当阴、雨、雪天气，水温或水位不足时，会自动启动直热式空气能、电能等辅助能源设备，此运行方式可保证从保温水箱中供出的水始终为设定温度的热水。

二、太阳能承压热水工程智能控制系统节能、节水原理 

一个高效节能的热水工程控制系统，主要体现在不消耗或只消耗少量的常规能源（主要是电、燃油、燃气(天然气、煤气、沼气)、蒸汽、电加热、暖气换热等），就能获得满足用户需要的热水。晴天，采用智能定温直热运行方式，能迅速将冷水直接加热到满足用户需要的热水；在用户长时间不用热水的情况下，采用热水水满温差循环运行方式，可有效避免需辅助加热来补充系统热损失问题；阴雨、雪、冰冻天气，采用直热式智能型空气能热泵运行方式，既能迅速将冷水直接加热到满足用户需要的热水，又能使热水供应保持在一定水位，即用多少热水就加热多少热水，从而达到既节能又节水的目的。 

三、国喜热水工程控制系统的具体工作过程原理

 1）晴天

第一步、直热定温进水：

①当太阳光照强烈，通过太阳能集热器对冷水进行升温、加热，当达到集热器中的温控器设定的温度后，传感器将感测的信号送达电气控制柜，电气控制柜下达相应指令接点闭合，启动自来水管中的电磁阀，冷水进入集热器，同时，经过集热器加热后的水进入保温水箱，当指示温度低到50℃时，温控仪接点打开，电磁阀关闭,增压水泵停止，保温水箱停止进水。

②当太阳光照弱时，温度探头检测到集热器中的热水在一定时间内没有加热到设定温度时，则温度控制器会自动下降3-5度，前提是该温度不低于淋浴所需的温度（该温度可调），此时温度下降后的热水进入保温水箱储存。日照恢复后，系统自动切换到直热定温进水模式，直到水满为止。

第二步、热水水满温差循环：

保温水箱中的热水达到设定的满箱水位时，在用户长时间不用热水的情况下，水箱中的热水温度会有一定的降低，当集热器与水箱温差大于某一设定值时，循环运行温控仪的接点闭合，启动太阳能循环水泵，同时，水泵从保温水箱底部抽水送往集热器，在集热器加热后再流入保温水箱，将热水箱中的水循环加热，直至温差低于设定值为止；当集热器内水温达到55℃时，系统又回到定温直热运行方式；当保温水箱内水位达到最高水位时，此时系统自动切换到水满温差循环运行方式。

第三步、自动定时、定温回水：

即采用温度及变频控制水泵供热水，当回水管道内的热水温度低于设定的温度时，温控仪中的传感器将感测的信号送达电气控制柜，电气控制柜下达相应指令，自动启动热水增压泵，通过增压泵加压，将管道内的温水回到保温水箱；当管道内的热水达到设定的温度时，增压泵停止增压，从而能够保持热水管道内的热水是恒温、恒压，使用户打开水龙头就有热水用。

第四步：用户使用热水

第五步：晚上或清晨，当热水不够用时，自动启动直热式空气能辅助系统。

一是直热恒温加热，保温水箱内热水水位还不到70%的位置（该水位可调），自动启动空气能辅助加热系统将水直接加热至50℃；当补充水位到70%时，就自动停止空气能，保证一直有热水用，要用多少就加热多少，水位会一直维持在最低水位；二是空气能辅助循环系统自动启用，将保温水箱中的热水通过循环泵强制循环加热到设定温度。

2）阴天

第一步：当太阳能集热器内的热水温度无法达到用户所需的温度或保温水箱中的热水水位位于最低保护水位时，自动启动直热式空气能辅助系统，即温控仪中的传感器将感测到的信号送达电气控制柜，电气控制柜下达相应指令启动直热式空气能辅助系统，并开启自来水管中的电磁阀，冷水进入直热式空气能加热，要多少热水可加热多少热水，从而高效、快速地达到用户用热水的要求。

第二步：用户使用热水

第三步：最低水位，智能直热补水。 

 3）雨雪、冰冻天气（原理同阴天）

第一步：定时，自动启动直热式空气能辅助系统进行定温加热补水。

第二步：用户直接用所需温度的热水。

第三步：最低水位，智能直热补水。 

四、国喜热水系统主要内容及技术路线 

►控制系统研究开发内容

（一）控制系统已研究开发的内容：

1、直热式智能定温进水、补水---节能运行，辅助能源使用少。

2、太阳能热水水满温差循环---提高集热和热利用效率。

3、定时、定温管道供水、回水---采用温度及变频控制水泵供热水的方式，解决供热水管路散热造成的水温降低等问题。

4、直热式智能空气能辅助加热---能直接、快速加热冷水，从而达到最佳节能、节水效果。

5、应急电加热措施—恒温供热水（确保任何意外紧急情况下的热水供应）---万一天气不好，辅助加热系统又有故障或烧水不及时时，电加热应急备用系统会自动开启或关闭，

6、恒压供水---通过变频器控制水泵的转速，使管路中的热水水压始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

7、防冻装置---冬季照常使用。

8、防结垢装置---防止管路、保温水箱、水笼头结垢堵塞。

（二）控制系统待研究开发的内容：

目前，本控制系统产品主要应用于承压式平板太阳能热水工程。主要内容包括以下几个方面：

1、利用PLC编程，实现自动计算和根据计算结果自动控制的功能。并可以实现远距离显示和监控，还可以任意升级控制程序，优化控制功能。

2、研发系统水温、水位预警系统和故障报警系统。能提前对系统的不良反应采取针支措施，防患于未然。

3、与通讯商合作研发控制系统信息反馈短信平台，使人不到岗的情况下仍能及时掌控热水工程运行情况。

以上技术的研发一旦实现，则可完全实现无人化监控。

►开发、生产过程中涉及的关键技术和解决的关键问题 

1、采用直热式智能定温进水、补水的方式，解决了传统太阳能热水工程控制系统一般采用的是冷水先进水箱，温差循环加热、升温，而浪费电能的问题。而通过太阳能集热器与水箱中的水温差启动水泵强制循环，达到冷、热水的热交换，从而使水温逐渐升高。

2、采用热水水满温差循环运行的方式，可避免在定温直热运行方式下，需辅助加热来补充系统热能损失的问题，达到最佳节能效果。

3、采用智能定温直热运行方式，可保证在定温条件下进入保温水箱内的水均为达到使用要求的热水，且所需热水量可以自由调节，方便、省时、省电。

4、智能型直热式空气能热泵作为辅助加热系统，能高效、快速解决阴天、雨雪以及冰冻天气所面临的太阳能不足时的热水供应问题，以满足人们节水省电的需求。

5、采用温度及变频控制水泵供热水的方式，解决供热水管路散热造成的水温降低等问题，可达到最佳节能效果。 

►国喜热水工程控制系统产品的技术开发路线  

晴天白天，太阳能光照强时太阳能热水工程系统通过本控制系统可实现直热式智能定温进水、补水和热水水满温差循环，晚上无太阳光时，可采用温度及变频控制水泵供热水的方式，解决管路热流失造成水温降低问题。

阴雨、雪、冰冻天时，太阳能产生的热水很少，智能型直热式空气能热泵作为辅助加热系统，能高效、快速解决阴天、雨雪以及冰冻天气所面临的太阳能不足时的热水供应问题，要用多少就加热多少，水位会一直维持在最低水位，这种控制辅助加热系统加热水的方法最节省电和省水。  

五、国喜热水工程控制系统的创新点

太阳能热水工程主要包括楼面工程和电气工程。楼面工程主要由集热器、辅助加热系统、不锈钢保温水箱、上下循环管、楼面冷、热水管、循环管和支架组成；电气工程包括电控箱体、控制设备、电线等。本项目产品属于太阳能热水工程中的电气工程部分，应用范围广，可在企事业单位、工农业、学校、医院、酒店、房地产、运动场馆等集体供热水系统中应用。

►应用创新：

（一）扩大了应用范围：

传统太阳能热水工程控制系统，大多是应用于非承压式热水工程，自然循环系统、强迫循环系统和定温放水系统且无法达到有效节能和全天候供热水的效果。本项目产品不但可以应用于非承压式热水工程，还可应用于承压式热水工程，且各类型的热水工程均可适用。

（二）成本低，应用范围广：

本项目产品系公司自主研发，部分元器件统一直接到厂家采购，大大降低了采购成本，公司自主装配、设置、测试等大大降低了中间费用和其它成本。

（三）功能齐全，设计科学：

本热水控制系统产品具有以下功能：

1、水温数字显示。

2、5级水位显示。

3、即时时间显示。

4、各种工作状态显示。

5、五种上水方式：a、定时上水；b、低水位自动上水；c、手动随时上水；d、定温上水；e、恒温逐级上水。

6、三种加热方式：a、太阳能定温直热；b、空气能定温直热；c、电加热定温直热。

7、系统温差循环加温，达到设定温度可自动启动与停止。

8、高温保护：水箱温度可以控制在国家热水标准范围。

9、低温保护：防冻自动系统循环保护及管路电伴热带保护。

10、热水循环：具有全自动温控洗浴热水循环控制功能。

11、故障报警：1、液晶图形显示与声音报警；2、远程报警功能。

12、辅助能源设备：1、定时启动辅助能源设备；2、恒温控制辅助能源设备。

以上各项功能可对太阳能热水工程进行自动监测和控制，实现自动化运行。

（四）设置简单，易于掌控：

1、74mm×35mm大屏幕液晶显示－各种数据、清晰准确。

2、二个键设定全部十几项功能－设置快捷、操作简便。

3、手动上水、手动加热等快捷键－根据需要、切换方便。

4、进口数字温度传感器数据传输精确，抗干扰性能优异。

5、一天24小时精确到10分钟－定时上水、水满自停。

6、一周7天精确控制辅助加热设备－任意时间启动加热设备。

（五）智能控制，不用人工操作：

控制器全自动运行，可断电记忆－来电恢复、无人值守。

（六）质量可靠，使用寿命长：

所有配件均经过严格检测，使用寿命可达15年以上。

（七）故障预警系统采用光声报警方式，反应快速、准确。

►技术创新：

（一）定温直热运行：

当定温直热运行温控仪的指示温度达55℃时，接点闭合，电磁阀F1打开，增压水泵启动。此时，冷水进入集热器，同时，在集热器中加热后的热水，汇流入保温水箱，当指示温度低到50℃时，温控仪接点打开，电磁阀关闭,增压水泵停止。保温水箱停止进水。

（二）温差循环运行：

当循环运行温控仪的指示温度低于50℃时，系统自动转为循环运行控制方式。当集热器与水箱温差大于一设定值时，循环运行温控仪的接点闭合，启动太阳能循环水泵。这时，水泵从保温水箱底部抽水送往集热器，在集热器加热后再汇流入保温水箱，即将热水箱中的水循环加热，直至温差低于一设定值为止。

1、当集热器内水温达到55℃时，系统又回到定温直热运行方式。

2、当保温水箱内水位达到最高水位时，此时系统自动切换到温差循环运行方式。

（三）用定温直热与温差循环结合供热的优点：

1、热利用率高：采用定温直流方式供热，可保证在定温条件下进入保温水箱内的水均为达到使用要求的热水。能在不同气候及使用情况下，最大限度地利用太阳能产生的热水。克服了纯温差循环集热方式在日照不足时，太阳能热利用率低的缺点。同时，本系统结合温差循环控制，可避免定温直流方式在用户长时间不用热水情况下，系统热损失需辅助加热来补充的弊端。

2、故障率小，运行可靠：为避免辅助加热设备对整个集热水箱加热。通常，在纯温差循环集热系统中，需另增设一个辅助水箱，作用为系统的恒温水箱。与此对应的是要增加一些控制设备（如水泵、电磁阀、液位控制器等）。相对单独定温直热系统而言，既增加了投资，又因控制点过多，增加了系统的故障率。

综上所述，本系统采用定温直流与温差循环控制相结合的方式集热，既结合了两种集热方式的优点，同时又克服了各自的不足之处，在保证系统正常运行的同时，又最大限度地节省了常规能源，这是我公司集多年的太阳能行业经验的独特系统设计。

（四）采用温度及变频控制水泵供热水的方式，解决供热水管路散热造成的水温降低等问题。

即管道内设有温度控制器，管道内的热水温度低于设定的温度时，自动启动热水增压泵，通过增压泵加压，将管道内的温水回到保温水箱；当管道内的热水达到设定的温度时，增压泵停止增压，从而能够保持热水管道内的热水是恒温、恒压。

（五）采用智能型直热式空气能热泵辅助恒温加热的方式，能高效、快速解决阴天、雨雪、冰冻天气等太阳能不足时的供热水问题。

一是直热恒温加热，保温水箱内热水水位还不到70%的位置（该水位可调），自动启动空气能辅助加热系统将水直接加热至50℃；当补充水位到70%时，就自动停止空气能，保证一直有热水用，要用多少就加热多少，水位会一直维持在最低水位；二是空气能辅助循环系统自动启用，将保温水箱中的热水通过循环泵强制循环加热到设定温度。 

►工艺创新：

智能化全天候承压太阳能热水系统的工作过程全部由预先设计制造并调试好的微电脑智能控制器来完成，微电脑智能控制器分别接受来自集热器水温探头、储热水箱水温探头、储热水箱水位探头采集到的输入信号，各种各样不同的情况，按照设定好的既定程序，根据具体的需要，分别或联合给系统的部件发出不同的输出信号，驱动辅助热源、集热器循环水泵、辅助热源循环水泵、常闭电磁阀的启动或停止运行，来使系统全自动运行，显示并控制水温、水位，从而达到太阳集热器收集热量，储热水箱保存热水，辅助热源应急补充热量、热水，二次循环加热，即开即热供应热水和系统防冻抗冻的目的。

本系统可保证用户在任何情况下，任何时间内都能获取预先设定好温度的热水，从而使用户的要求得到最大程度的满足。其工作情况实际上可分为以下几个具体的过程：集热过程、应急补水过程、补热过程、二次循环过程、防冻过程。

►结构创新：

1、系统直热定温上水：

太阳集热系统通过集热场集热器出口温度设定控制上水动作，确保热水水箱内只有达到温度的热水，集热器出口水温达到设定值A（春夏秋50-55℃，冬季40-45℃），电磁阀1（或增压泵）开启，凉水将集热器内热水顶入集热储热水箱；T2达到设定值B（春夏秋45-50℃，冬季35-40℃），电磁阀1（或增压泵）关闭，系统停止上水。如此重复动作，直到水位达到100%后，自动锁闭系统上水功能，防止系统溢水。

2、温差集热循环：

太阳集热系统通过温差跟踪循环控制方式保证系统自动最高效率、最大化采集太阳能量。集热器出口水温大于水箱水温达到8℃时，热水循环泵启动，水箱内的水推动集热器内的水循环回到热水箱内，差值达到2℃时，热水循环泵停止循环。

3、防冻保护循环：

太阳集热系统通过防冻循环控制，利用温差循环泵及管路保证室外集热系统冬季防冻。集热器底部入口水温（管道水温）低于设定值C（4℃）时，系统进入防冻状态并报警，循环泵启动，水箱内热水进入管道，高于设定值C时，循环泵停止循环。

4、供水恒温循环：

供水管线过长时，管路内存水将变凉影响使用。供水管道温度低于设定值D（38℃）时，系统进入供水管道恒温状态，热水循环泵启动，储热水箱内的热水推动供水管道内的水循环回到集热水箱内，高于设定值D+2℃时，热水循环泵停止循环。

5、上述功能由系统智能控制柜自动完成，无须人工干预，其中的A、B、C、D值可根据季节不同或用户要求不同修改设定。

6、定时加热：

按“定时加热”键，启动定时加热功能。当不在设定时间范围内时，定时设定显示灯做闪动状态提示；当在所设定时间范围内时，定时设定显示灯做常亮状态提示。定时加热状态就是在所设定的时间范围内执行自动加热，功能完全相同。此功能至“定时加热”键第二次按下或自动加热启动，定时加热状态解除。

7、系统报警：

系统“集热器出口高温”、“集热器底部(管道)低温”、水箱水位低于20%时，控制器将断续式音响(蜂鸣器)一分钟，报警位LED闪动，显示数码管闪动并显示报警位数据。

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