河南理工大学学报论文范文

　　为了尽可能减少对原建筑物外观的影响，又要使太阳能中央热水工程具有尽可能高的能效，通常需要针对不同的楼宇结构和用户需求设计工程的主要部件配置及其安装模式，由于楼宇结构种类众多、用户需求更是千差万别，传统的工程控制系统通常采用继电方式（即定时器+温控器+接触器）或可编程控制器（PLC）方式构建，通过改变继电方式的电路连接或修改PLC的控制程序来适应上述工程设计的差别。继电方式虽然具有低成本的优势，但其众多不同连接的控制电路给安装、调试和维护带来不少困难；而PLC方式基本不改变控制电路的硬件配置，只需修改控制程序即可，但需要相关的专业人员才能够完成，而且其建设成本较高。此外，在众多的安装方式中，哪一种性价比最高、节能效率最好，至今未见系统的评价方法和相应的测试条件的报道。

　　摘要：太阳能、热泵热水工程的部件配置与安装模式通常随用户需求和建筑风格而变化，这种模式的多样化给控制系统设计和工程施工及维护带来不少难题。此外，各种模式的热水工程各有哪些性能特点和相关测试条件，至今尚无比较全面的研究文献，也给工程设计和论证带来不便。在此应用嵌入式系统和.NET等技术，设计并实现了多模式太阳能热水工程测试系统，完成了常用工程模式的建模和ARM处理器的可配置控制模式编程，解决了上位机安装模式配置与主控制器控制模式的同步切换问题，有效降低了太阳能热水工程的设计、施工和维护的难度；同时应用该系统实现3种典型工程模式的构建和测试，实验数据反映了不同模式的性能差异，相关技术已应用于多个太阳能热水工程中。

　　关键词：太阳能,热水工程,多模式测试,控制与管理

　　0引言

　　在本课题组研究开发的面向集群应用的太阳能热水器测控与管理系统中，已经实现了可视化监控与管理安装在全国各地的太阳能热水器工程[1]。本文拟从构建多模式工程测试的实验系统基础上，对典型工程配置和安装模式开展相关的研究工作，力求常用工程配置和安装模式的可视化配置以及提出符合实际应用的测试和评价方法。

　　1多模式工程测试系统设计

　　1.1多模式工程测试系统结构

　　太阳能、热泵热水工程多模式测试系统的组成如图1所示，图中集热板1，2，3可任意配置为1～3组；储热水箱可配置成单水箱或双水箱模式；集热板出水管可连接至集热水箱接口A1或供热水箱接口A2；进冷水管可连接至集热水箱接口E1或供热水箱接口E2；集热板温差循环水管可连接至集热水箱接口B1或供热水箱接口B2；空气源热泵可连接至集热水箱接口D1或供热水箱接口D2；集热水箱和供热水箱的电加热设备可配置为安装或未安装；上述各种配置和安装方式均可通过电磁阀切换实现。

　　1.2多模式控制系统设计

　　多模式控制系统由上位机管理软件、主控制器、多模式控制电路和图1所示太阳能热水工程组成，其中上位机管理软件和主控制器是在文献[1?2]基础上，增加了多种工程模式的建模，并据此在主控制器的ARM处理器上实现可配置控制模式编程，并可直接应用于实际工程中。多模式控制电路用于测试时的模式切换。

　　1.2.1常用工程模式建模

　　通过对常用工程模式的比对分析，先抽象出集热板、水箱、辅助加热、管路（包括水管和水泵）4个对象，分别为每个对象定义一个结构体，每个结构体中包含属性参数、设置参数。再采用结构体的嵌套和结构体指针分别为集热板组、集热水箱、供热水箱、辅助加热设备（包括空气源热泵和电加热等）、水管集合（包括进冷水管、集热板温差循环管和集热板出水管等）这5个对象定义一个结构体，每个结构体包含父结构体、设置参数、测量参数、控制标示和对象连接配置五类数据类型。

　　图2为集热板和水箱的结构体，当出水管连接集热水箱时，其连接配置就指向集热水箱对象，如图2中实线箭头所示，定温出水控制判断条件就取集热板组的水温和集热水箱的水温、水位的运算结果；如果出水管连接供热水箱，其连接配置就指向供热水箱对象，如图2中虚线箭头所示，定温出水控制判断条件就取集热板组的水温和供热水箱的水温、水位的运算结果。

　　1.2.2多模式控制电路设计

　　多模式控制电路的构成如图3所示，主要由ARM7处理器、输出控制模块、数据存储模块和通信接口5个部分组成。每一种工程模式对应的电磁阀运行表保存于E2PROM中，ARM7处理器根据来自主控器的模式配置信息从E2PROM中调用电磁阀运行表，形成控制逻辑经输出控制模块驱动电磁阀实现模式切换。

　　1.2.3ARM处理器的可配置控制模式编程

　　ARM处理器的可配置控制模式是在上述工程模式建模基础上，采用如图4所示配置技术实现的。E2PROM中存储着安装模式的配置参数，系统上电初始化后，首先判断E2PROM是否正常，若不正常则直接采用默认配置数据；若E2PROM正常而且无最新模式配置数据，则仍然读取默认配置数据，并将默认配置数据保存于E2PROM中，同时写入特殊标记。若上位机有下传新的模式配置信息，E2PROM中将有新的特殊标记，这时程序将读取新的配置数据，并据此确认对象之间的连接关系和所指向对象的相关参数，然后调用相应的运行控制子程序。

　　1.2.4模式配置与控制的同步切换

　　2.2测试依据

　　2.3测试方法

　　本测试系统安装了热量表MTH?6，电能表DTS（X）343和水表Lxs?50e，三者均为数字式仪表，系统控制器可直接读取集热器的集热量、系统耗电量和用户热水用量等参数。本测试系统在实现对工程运行的自动控制的同时，能够自动采集各种工程模式的运行状态和参数，为了便于分析比较，选择太阳辐射总量基本相同天气，并控制每天的热水用量基本一致，下面的测试结果分析就是在众多的数据中选择符合上述条件的数据进行的。2.4测试结果分析

　　（1）单水箱模式虽然结构比较简单，但为了保证用户的用水质量，水箱水位需要保持较高水位，导致太阳能辐射强度较弱的情况下长时间启动空气源热泵，能耗较高，使得系统COP较低，单位热水能耗高，太阳能保证率低。双水箱系统的能效相对较高，供水保证率也高，从节能的角度考虑，建议优先采用双水箱系统[8?10]。

　　3结语

　　本文设计并实现了多模式太阳能、热泵热水工程测试系统，通过对常用工程配置及安装模式进行建模，并据此对ARM处理器多模式控制的可配置编程，实现了工程控制器的控制模式与上位机管理界面的同步切换，简化了各种模式的太阳能、热泵热水工程的设计、施工、测试及维护工作，应用本系统构建了3种常用太阳能热水工程并进行实际测试，得到不同模式下的能效指标以及对实际工程模式的选型提出建议。该系统的相关技术已应用于福州众望达太阳能技术开发有限公司的多个工程项目中，也为类似的工程测试以及集热板等主要部件的性能评价提供便捷的测试环境。

　　参考文献

　　[1]关健，蔡声镇.面向集群应用的太阳能中央热水工程控制器的设计与实现[J].福建师范大学学报：自然科学版，2011（3）：26?28.

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　　[6]王伟.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计指导[J].制冷与空调，2011（7）：17?19.

　　[7]钟浩.空气源热泵辅助供热天阳能热水系统研究[J].建筑节能，2011（10）：95?7.