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1、硕士王佳亮太阳能建筑一体化热水控制系统的研究2012硕士学位论 文太阳能建筑一体化热水控制系统的研究太阳能建筑一体化热水控制系统的研究摘 要在我国应用于住宅建筑中的太阳能热水系统种类繁多，与建筑的匹配性相比，其控制形式较为单一，集成化程度不高。目前，我国城市住宅建筑的建设和发展以多、高层建筑为主，因此对太阳能热水系统在住宅建筑中的运用形式和规模提出了更高的要求，太阳能建筑一体化热水控制系统的研究也就决定了太阳能热水在城市建筑中的推广运用能否得到实现。由于系统的集热效率、热量供应和运行稳定性等因素，如果依旧采用较为简单的控制方式，就无法很好的解决相关技术问题。本文根据集中供热、分户储热系统，研发
2、一款太阳能热水控制器，采用PLC（总控制器）和单片机（分户控制器）结合的控制方式。PLC便于智能化集成监控与控制，运行稳定、可靠性高，与太阳能集热器、水泵、温度传感器、集热水箱和电磁阀等元件连接用于系统的集热，能实现热量的集中化供应。单片机体积小、功能强大、价格便宜，与家用水箱、电加热装置和分户电磁阀等装置连接用于系统的换热，在用水温度达不到要求时自动开启电加热，从而实现用户的个性化使用。两者结合能有效的提高集热效率和实现热量的合理分配。本文重点阐述了热水控制系统（总控制器和分户控制器）的硬件电路设计和相关软件程序设计，并给出了具体的仿真实验结果。关键词：太阳能热水系统 集中供热分户储热 节能
3、 PLC 单片机RESEARCH ON BUILDING INTEGRATION OF SOLAR WATER HEATER CONTROL SYSTEMABSTRACTThere are many types of solar water heating systems used in residential construction in China, compared with the match of the building, control form is single and poor degree of integration. At present our country c
4、ity residential buildings construction and development, mainly in high-rise building, therefore the solar water heating system in residential architecture form and size has put forward higher requirements, the solar building integrated hot water control system will determine whether to achieve to pr
5、omote the use of solar water heating in urban architecture .Because of the system heat collection efficiency, heat supply, operation stability and other factors, if still adopt a simpler control method that can not solve the relevant technical problems. In this paper, according to central heating ho
6、usehold heat storage system, developing a solar hot water controller , which using PLC (controller) and SCM (household controller) combined with control, PLC to facilitate intelligent integrated monitoring and control, which has stable operation and high reliability , connection with the solar energ
7、y heat collector, water pump, a temperature sensor, a heat collecting water tank, electromagnetic valve and other components for the system solar collector . SCM has the advantages of small volume, powerful function, cheap price, connection with the domestic water tank, an electric heating device an
8、d a household electromagnetic valve device for the system heat exchanger , automatically open the electric heating when the water temperature is below standard , in order to achieve personalized use .The paper focuses on the hardware circuit design of the hot water control systems(total controller a
9、nd household controller) and the relevant software program design , and gives the concrete simulation results.KEY WORDS: solar water heating system Central heating household heat storage energy saving PLC SCM目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 研究太阳能的背景和意义11.1.1开发利用太阳能的必要性11.1.2我国太阳能资源分布情况31.2太阳能光热的利用与发展41.
10、2.1太阳能热水系统国外研究现状51.2.2太阳能热水系统国内研究现状51.4本章小结7第二章 太阳能热水系统与建筑一体化82.1太阳能热水系统的组成和分类82.1.1太阳能热水系统的组成82.1.2太阳能热水系统的分类102.2建筑太阳能热水系统的选择112.2.1太阳能热水系统与建筑结合的形式112.2.2我国太阳能热水系统在建筑运用中存在的问题122.2.3多层民用建筑热水系统设计应考虑的问题132.3本章小结14第三章 太阳能热水系统设计153.1本文所采用的建筑太阳能热水系统153.2控制系统的研发内容163.3热水系统负荷计算183.3.1设计用水热量183.3.2设计小时耗热量、
11、小时热水量193.3.3热水循环流量、设计秒流量计算203.3.4 太阳能集热面积的计算203.4太阳能热水系统节能效益的分析223.5本章小结23第四章 太阳能热水总控制系统的设计244.1集热控制系统的功能244.2控制系统的硬件结构254.2.1 PLC及设备选型254.2.2系统控制框图264.2.3 I/O端口分配274.2.3 温度信号采集284.3控制系统的软件设计304.3.1 流程图设计304.3.2 梯形图设计334.4系统运行分析344.5 PLC与单片机通信344.5本章小结35第五章 太阳能热水分户控制器的设计365.1分户控制器系统功能365.2分户控制器硬件设计3
12、75.2.1 分户控制器的总体结构375.2.2 分户控制器的主控电路原理与结构395.2.3 各部分电路原理与结构415.3分户控制器软件设计475.4实验与显示565.4本章小结57第六章 总结58参考文献60致谢63攻读学位期间发表的学术论文64第一章 绪 论1.1 研究太阳能的背景和意义1.1.1开发利用太阳能的必要性煤炭、石油等传统化石能源是人们生活能源的主要来源，但作为一次性消耗能源，它们日益枯竭，与此同时，新的替代能源及其生产体系还未建立。因此，能源缺乏这一问题日益凸显，并且已经影响到了我国国民经济的持续发展和工农业的正常生产；另一方面，全球气候持续变暖，生态环境逐步恶化，世界各
13、国经济发展和环境问题正面临严峻考验，节能减排这一问题已成为许多国家关心的头等大事。如何开发和利用新的可再生能源已成为世界各国共同关注的话题。能源作为世界经济增长的动力，其重要性直接影响到人类社会发展的进程。在工业化时代，经济的增长和能源的消耗呈现近似的线性关系。国际能源机构(International Energy Agency-IEA)对世界能源的预测表明，在未来30年内，世界各国对能源的需求总量将会增加到1倍左右，而能源却日益缺少，将会严重影响到能源的正常供给，而中国作为新的经济体，必将驱动全球能源需求。根据IEA估计，全球石油储备将在50年后枯竭，世界天然气储量将在70年内枯竭，世界原煤
14、储量将在170年后枯竭，铀的年开采量可维持到2040年左右。图1-1是世界与中国常规能源的可开采情况。图1-1 世界与中国常规能源的可开采情况Fig1-1 world and China conventional energy of mining对于中国这个发展中国家而言，能源开发问题更是不容忽视。我国可开发的能源其剩余可采储量的开采年限仅为129.7年，其中原煤为114.5年，石油为20.1年，天然气为49.3年。按照IEA的数据，在2009年中国已取代美国成为世界上最大的能源消费国。中国对能源的需求量在2010年到2035年间会上升75%，到2035年，中国占世界能源需求的比例将从目前的1
15、7%上升至22%。然而，我国的能源储备并不丰富，已探明的可开发能源总量超过8230亿吨标准煤，其中可开发剩余可采总储量为1392亿吨标准煤，约占世界总储量的10.1%。我国能源剩余可开采能源总储量的结构如图1-2所示。图1-2 我国能源剩余可开采能源总储量结构图Fig 1-2 China energy surplus recoverable reserves of energy total structure diagram由于中国的人均能源消费水平很低，约为经合组织国家平均水平的三分之一左右，鉴于中国国内能源市场需求的庞大规模，通过规模经济效应有效降低技术成本，可以推动中国新型低碳能源技术的
16、开发与研究。中国经济的发展伴随着生态环境的日益恶化，我国的能源开发利用对生态环境造成的污染十分严重，政府非常重视开发和研究新能源和可再生能源，并已将开发新能源与可再生能源作为中国经济发展和能源利用的一个重要方面，纳入到国家经济与能源发展的基本政策和法规当中。并已先后制定和颁布了一系列关于开展新能源和可再生能源建设的政策性文件，大力地推动着这项事业的发展。中华人民共和国可再生能源法的出台，有力保障了行业的建设，为推广和使用可再生能源创造了有利条件。我国的可再生能源资源分布广泛，不管是近期还是远期，采用就近原则开发可再生能源、因地制宜，将是调整国内能源结构、增强能源使用安全、保护生态环境、实现社会
17、可持续发展的重大战略选择。由上述分析可知，新能源和可再生能源的开发利用是保障人类社会不断进步、人们赖以生存的地球的生态环境的健康发展的重要举措。采用新能源和可再生能源渐渐替代和减少常规能源的使用，社会走可持续发展道路的重大措施。目前技术比较成熟的新能源有，太阳能、地热能、风能、生物质能等。而在众多的可再生能源中，最为理想的能源是太阳能。太阳能是一种可再生能源，取之不尽用之不竭，它与其他可再生能源相比，具有以下优点：(1) 普遍性，太阳光普照大地无处不在，无论陆地、河流、海洋、高山都有阳光存在，不用开采运输，可以直接开发利用。(2) 巨大性，太阳能的总量是世界上可以开发的最大能源，其每年到达地球
18、表面的太阳辐射能约为1.31014t标煤。(3) 长久性，太阳的寿命约为百亿年，地球的寿命约为几十亿年。因此，太阳能可保证长久的使用。(4) 无害性，作为新能源其除了能供人们使用并且其开发利用不会污染环境。作为最清洁的能源之一，它对生态环境的影响意义非凡。正是由于以上优点，开发利用太阳能已成为世界性的趋势，我国也正积极对太阳能进行开发利用。1.1.2我国太阳能资源分布情况我国土地幅员辽阔，太阳能的资源分布主要有以下特点。高值中心为青藏高原，低值中心为四川盆地；西部地区的太阳年辐射总量高于东部地区，除了新疆和西藏，基本上太阳辐射量是南部低于北部；南方大部分地区云雾雨较多，太阳能不随纬度的增加而减
19、少，而是随纬度的增加而增加。全国按太阳能辐射量大小大致上可分为四类地区，图1-3是我国太阳能资源分布情况。图1-3 我国太阳能资源分布图Fig 1-3 Chinas solar energy resource distribution map(1) 一类地区是我国太阳能资源最为丰富的地方，主要有甘肃、宁夏、西藏和新疆等地区。一类地区海拔高，全年日照时数约为3300h，辐射量相当于284 kg标煤燃烧所发出的热量。(2) 二类地区是我国太阳能资源较为丰富的地区，主要有山西、河北、宁夏、内蒙古和青海等地区。全年日照时数约为3200 h，辐射量相当于226 kg标煤燃烧所发出的热量。(3) 三类地区
20、主要有河南、山东、辽宁省、广东、吉林、云南、江苏、陕西、安徽北和福建等地，全年日照时数约为3000 h，辐射量相当于200 kg标煤燃烧所发出的热量。(4) 四类地区是我国太阳能资源最少的地区，主要有四川省和贵州省。全年日照时数为2200h以下，辐射量相当于170 kg标煤燃烧所发出的热量。1.2太阳能光热的利用与发展目前，人们利用太阳能光热最普遍的形式是利用太阳能光热加热冷水。经过世界各国科学家和工程师近百年的努力，太阳能热水技术已成为在太阳能热利用技术上最为成熟、商品化程度最高、经济上最具竞争力的技术。在全世界范围内，各种太阳能热水装置的生产已形成为一个新兴的产业，其广泛运用于人们的生活和
21、某些生产领域。在欧洲的许多国家，太阳能热水利用不仅仅局限于居民的家庭生活用水，政府通过建造大规模的太阳能热水工程来提供城市用水，把太阳能热水作为市政热水供应的一部分，其运用范围更为广泛并且高端。像丹麦、瑞典这些发达国家都建有大型的太阳能供热水工程。相对于其他形式的能源供热水，太阳能光热利用在能源消耗和环境污染两方面都有巨大的优势。如图1-4所示为用煤炭和太阳能提供热水的效率对比图。图1-4用煤炭和太阳能提供热水的效率对比图Fig 1-4 Coal and solar energy to provide hot water efficiency comparison chart在使用太阳能热水器
22、面积方面，以色列是全球人均使用面积最高的国家。其太阳能热水器的总面积到达350 m2，普及率超过了90%，如表1-1所示为世界各国每千人拥有太阳能热水器的面积。表1-1世界各国每千人拥有太阳能热水器的面积Table 1-1 Some countries for every 1000 people have solar water heaters in the area国家以色列奥地利希腊澳大利亚中国面积/ m258026526416496国家丹麦日本德国美国荷兰面积/ m260585240131.2.1太阳能热水系统国外研究现状在国外，太阳能热水器产品经历了三个时期，分别是闷晒式、平板式、玻璃
23、真空管式。目前它们产品的发展方向主要集中在如何提高集热器的集热效率。在北美和欧洲的一些国家，太阳能建筑一体化得到了大力的发展和应用，其主要形式为集中集热、集中供热系统和集中集热、分户储热系统，用于供应一栋或几栋楼的热水，配套高性能控制系统和太阳能热水器。欧洲一些国家的太阳能资源虽然不够丰富，但由于化石能源的日益缺乏且人们的环保意识较强，其发展方向主要致力于太阳能热水系统的优化。主要通过软件模拟和分析热水系统内部的运行状态、参数设定，实验测量后进行不同情况的比较，使太阳能热水系统运行效率达到最优。鉴于国外的太阳能热水系统多是运用于建筑一体化，因此平板太阳能热水系统是其主流产品。平板集热器性能的提
24、高、外观的优化已使得它和建筑完美的结合，它能置于屋顶、镶嵌于墙体和阳台，和建筑适合的融为一体。整个系统主要采用分体式双循环承压的运行方式，通过加有防冻液的工质进行热量交换，既能保障良好的水质也能保证在冬天正常使用热水系统。同时，采用电加热等间接加热方式，保证全天的正常热水使用。其控制系统已经能做到根据太阳辐射量对系统的运行进行实时的监控，有的系统能做到远程监控、集中监控、物联网等技术也运用于其中，能够实时得知系统的运行状况、产生的热水量、减少的碳排放量等相关数据，热水系统朝着集成化、智能化方向前进。1.2.2太阳能热水系统国内研究现状我国政府一直都非常重视太阳能的开发和利用。虽然整个热水器行业
25、相对于国外起步较晚，但自20世纪80年代起，在太阳能热利用技术中太阳能热水技术的研发已多次列入国家科技攻关项目，技术最为成熟。我国的太阳能热水器技术主要经历了三个发展阶段。起步阶段，我国太阳能热水器的使用起始于1958年，中国最早的太阳能热水系统是分别建于天津大学和北京天堂河农场的浴室，采用的是自然循环式太阳能热水系统，分别由天津大学和北京建筑设计院研制。产业化形成阶段，始于80年代，由于70年代末的世界能源危机，我国政府也采取了相应的应对措施，太阳能热水器这个新兴行业悄然而生，并在太阳能集热器研制方面取得了一定的成果。主要的成就是研制成功了光谱选择性吸收涂层玻璃真空管集热器。快速发展阶段，9
26、0年代后期，我国太阳能热水器产业得到了迅速的发展，太阳能产业相关企业达到3000多家。太阳能集热器的年生产量从1998年的350万m2 /年发展到2008年的3100 m2 /年。通过这三个阶段，我国的太能热水器产业在这二十多年期间，发展迅速，生产了不同型号和规格的太阳能产品，使得我国太阳能热水器的年产量飞速增长，势头迅猛。目前，我国是世界上公认的最大太阳能热水器的生产及应用国，年产量和保有量都居世界第一，占世界总使用量的50%以上。其中全玻璃真空管太阳能热水器已成为我国最具特色的太阳能光热产品，并且相关的太阳能热水器技术的国家标准体系已经基本形成。在我国，太阳能集热器的效率问题一直是太阳能热
27、水系统中研究的重点对象，涉及到的研究内容是如何提高太阳能光热转换效率。通过开发高吸收、低辐射率的材料，在最大限度吸收太阳辐射的同时尽量的降低其反射会空气中的热量，从而做到更有效的保存已搜集的热量，提高集热器的效率。近年来随着我国太阳能热水器的发展，太阳能建筑一体化的理念在太阳能研发学术界、生产厂家和建筑设计业达成了共识，与建筑合理的结合已逐渐成为未来太阳能热水器产业发展的方向和关键。太阳能热水器绿色健康、安全节能，越来越多的被广大的消费者所接受，但目前安装的常规太阳能热水器设备一般是在房屋建造好后，将太阳能集热装置通过一些固定手段安装在屋顶上。这样会有一些如，如何抗大风、冰雹等安全问题，同时由
28、于是后期无规律安装，会大大破坏建筑的整体美。同时真空管破碎、漏水、中高层建筑中管道布设等问题也会存在一定弊端。因此为了提高太阳能热水器在中高层建筑的运用和发展，太阳能与建筑结合是必由之路。目前国内的太阳能热水系统主要应用于低层和多层建筑，并且以真空玻璃管集热器为主。由于我国人多地少，随着城市中高层建筑的快速发展，太阳能热水系统的整体性要求日益凸显。大型公共建筑的集中供水、高级商用建筑的绿色节能需求、民用建筑节能和外观相结合的要求，使得高层建筑的太阳能一体化设计研究越来越受到重视。太阳能建筑一体化也就成了太阳能利用的重要发展方向。1.3本章小结本章通过分析太阳能热水系统的研究现状及发展方向，得出
29、太阳能热水系统作为建筑节能的发展方向，太阳能热水系统建筑一体化将会越来越受到重视和发展。与此同时，由于其相关政策和规范并不完善，控制方式和结构不够合理导致在与建筑结合的过程中出现很多问题。本文基于此背景，开发一种集中供热分户储热太阳能热水系统。第二章 太阳能热水系统与建筑一体化2.1太阳能热水系统的组成和分类2.1.1太阳能热水系统的组成太阳能热水系统通常是由太阳能集热系统和热水供应系统组成，包括太阳能集热元件（平板太阳能集热器、玻璃真空管集热器等）、储热水箱、控制系统、连接管道、辅助加热装置、水泵、电磁阀等设备。系统图如图2-1所示。图2-1 太阳能热水系统图Fig 2-1 Solar wa
30、ter heating system diagram由图中可知，选用的太阳能集热元件为平板集热器。我国目前广泛使用的太阳能集热器可大体分为两类：玻璃真空管型太阳能集热器和平板型太阳能集热器。其结构示意图分别为图2-2和图2-3。图 2-2 全玻璃真空太阳集热管结构Fig 2-2 Full glass vacuum solar heat collecting pipe structure1. 内玻璃管2. 太阳选择性吸收涂层3. 真空夹层；4. 罩玻璃管5. 支承件6. 吸气剂全玻璃真空管集热器是由内外两层玻璃管组成，其内管表面附有高吸收率、低发射率的选择性吸收膜这样会使得其热损系数低，有利于保
31、温，降低热量的损失。太阳辐射透过外管照射到涂有选择性吸收膜的内管上，从而转换为热能，直接加热在玻璃管中的传热介质（玻璃真空管用于直接系统，传热介质一般为水）。这种集热器的特点是：运行效率高，但不能承压运行、易爆裂、易结垢，不易与建筑结合进行一体化设计。图2-3 平板太阳能集热器的结构Fig 2-3 Flat plate solar collector structure1.吸热板2.隔热材料3.透明盖板4.排管5.外壳6.太阳光平板型集热器是由吸热板、保温层、透明盖板和外壳四部分组成。阳光透过透明玻璃盖板照射在涂有高太阳辐射吸收率涂层的吸热板上，吸热板升温并将热量传递给吸热板管内传热工质（平板
32、集热器用于间接系统，传热工质一般为加有特殊工质的水），隔热材料起到减少热损的作用。平板型集热器所产生的热水温度一般可达到70。其结构简单，可承压运行，可靠性好。主要用于家庭或区域供热水，由于可以承压它能和建筑以多种方式结合，也可被设计为多种形状。在本论文设计中将采用平板集热器进行太阳能建筑一体化热水控制系统的研究。控制系统是控制整个太阳能热水系统正常运行的关键设备，在图2-1中可看出控制器主要完成对温度传感器、电磁阀、水泵、辅助加热装置的控制和检测。在本文中将控制系统分为总控制器和分户控制器。分别对水泵的正常运行、电磁阀的开断、水温的显示和控制、辅助加热装置的开启等方面进行控制。辅助加热装置是
33、在太阳光照不足时依旧能正常使用热水的重要保障。其能源来源一般为电，而随着地源热泵、空气源热泵技术的发展，太阳能热水系统可以与其进行联合运用，从而达到更为节能的目的。本文采用的是辅助电加热装置。储热水箱是分体式太阳能热水器上的一个重要组成部分，它具有超强的保温性能， 内胆高效防腐防垢性。当水箱中的温度达到设定值后，即换热过程结束，水箱保温供用户使用。水泵选择威乐泵，它可以通过控制器自动调节管道内工质的流速，从而控制换热过程的快慢。2.1.2太阳能热水系统的分类国际标准IS09459对太阳能热水系统提出了科学的分类方法，它是按照太阳能热水系统的七个基本特征进行分类。每个特征可分为23种类型，从而构
34、成一个完整的太阳能热水系统分类体系，如表2-1所示。表2-1 太阳能热水系统的分类（国际标准IS09459）Table 2-1 Solar water heating system of classification (International standard IS09459)特征类 型ABC1234567太阳能单独系统直接系统敞开系统充满系统自然循环系统循环系统分体式系统太阳能预热系统间接系统开口系统回流系统强制循环系统直流系统紧凑式系统太阳能带辅助能源系统封闭系统排放系统整体式系统第1特征表示太阳能和其他能源的关系；第2特征表示集热器内的传热工质为用户直接使用的水或加入其他原料不被用户
35、直接使用的传热工质，亦称为双循环系统；第3特征表示系统传热工质与大气接触的情况；第4特征表示传热工质在集热器内的状况；第5特征表示系统循环的种类，其中自然循环系统是仅仅利用传热工质的密度变化来实现集热器和蓄热装置（或换热器）之间进行循环的系统，亦称为热虹吸系统；强制循环系统是利用泵迫使传热工质通过集热器进行循环的系统，亦称为强迫循环系统或机械循环系统；第6特征表示系统的运行方式；第7特征表示系统中集热器与贮水箱的相对位置。根据以上特征本文采用的是：太阳能带辅助能源系统，辅助能源为电能、间接系统、封闭系统、传热工质与大气完全隔绝，在集热器内始终充满传热工质、强制循环系统、分体式系统即贮水箱和集热
36、器之间分开一定距离安装。系统可总结为强制间接循环系统，其特点是，采用集热器加热传热工质，通过热交换器和水泵使传热工质循环加热、系统复杂，造价高、较易保证系统水质和防冻、储热水箱可以是承压闭式水箱 ，或非承压开式水箱。适用于规模较大的热水供应系统，对供热质量、建筑外观、水质、防冻要求严格的场所。适合于太阳能热水系统建筑一体化的设计和运用。2.2建筑太阳能热水系统的选择2.2.1太阳能热水系统与建筑结合的形式太阳能热水系统在建筑中的应用和运行特点可分为3种系统形式：集中集热、集中储热式，集中集热、分散储热式和分散集热、分散储热式，它们分别又可分别称为集中式、半集中式和分散式系统。其系统结构图如图2
37、-7所示。集中式太阳能热水系统集中布置在建筑屋顶或屋体，集中设置的大容积储热水箱布置在屋顶、地下室或设备层等位置。通过集热器加热的热水集中储存在集热水箱中，用户端用水时直接从管道中获取热水，其控制方式主要采用单片机控制，基本原理图如图2-4。半集中式太阳能热水系统采用集中太阳能集热器集热，分户布置储热水箱。集热器可集中布置于屋顶和墙面，储热水箱可灵活地布置于室内和阳台。一般采用间接循环方式，传热介质在集热器中加热后，经循环管道经过用户贮水箱，通过换热盘管和水箱内的水进行热交换，将水加热，控制方式采用单片机与PLC结合的方式，基本原理图如图2-5。分散式太阳能热水系统是目前较常见的一种系统，每户
38、系统独立，多用于别墅、排屋等建筑。每户有独立的集热器、储热水箱、循环管道、辅助加热设备和简单的控制元件，控制方式主要采用单片机控制，基本原理图如图2-6。 图2-5集中式 2-6半集中式 2-7分散式Fig 2-5 Centralized Fig 2-6 Semi Central Fig 2-7 Dispersion 图2-7集中集热集中储热式 集中集热分散储热式 分散集热分散储热式Fig 2-7 Centralized heat concentrated heat storage type Centralized heat dispersion of heat storage type Sc
39、attered set heat dispersion of heat storage type2.2.2我国太阳能热水系统在建筑运用中存在的问题目前太阳能热水系统在中高层建筑一体化中主要存在以下三个问题：(1)太阳能热水系统与建筑外观结合的问题。由于中高层建筑的楼高和建筑间距等问题所限，将集热器安装于立面，住在低层的住户所安装的集热器不能接受到充分的日照，导致其运行效率低下，而高层住宅的屋顶面积有限，住户很多时便无法满足所有住户安装太阳能热水器的需求。而在建筑设计之初并未考虑太阳能集热器的安装位置，用户的随意安装会造成集热器和建筑外观不协调，从而影响建筑的美观。太阳能热水系统在安装时由于其设
40、计、安装等问题对建筑的结构和防水保温构造造成破坏，会导致漏雨甚至高空跌落等安全问题。(2)太阳能热水系统与内部水系统结合的问题。对于分户集热分户储热的系统，如果在高层住宅中使用紧凑型太阳能热水器，全真空玻璃管集热器不能承压运行。如果将热水器布置在阳台或屋面，由于高层住户热水水压和供水水压相差很大，用户不较难进行正常的水温调节，从而影响正常使用。如果太阳能热水器集热器安装在屋顶，对于低层用户，运行管线到达住户用水点会过长，必须要放掉很多冷水才能正常使用热水，既不节能又不环保造成资源的浪费，影响用户的正常使用。(3)太阳能热水系统的集成问题。对于公用、商用和部分民用建筑而言，热水系统的集成问题是影
41、响它们正常使用太阳能热水的关键原因。此类建筑一般采用的是集中集热、集中供热或集中集热、分户供热系统，这就对系统的合理控制提出了更高的要求，由于高层建筑中管道的铺设会很长，并且每层用户的特殊要求，不合理的控制会造成热能的浪费，大不到合理使用以及节能的目的。2.2.3多层民用建筑热水系统设计应考虑的问题目前我国大部分使用的是分散集热分散储热的太阳能热水系统，这种系统采用不承压设计，也就是将太阳能集热器和水箱统一放置于屋顶，通过水压将水注入水箱，在一天的太阳能加热后，利用水箱和出水口的落差使用热水。这种系统适合于低层或多层建筑中的高层住户，对于多、高层中楼层较低的用户并不适合，因为它存在管线过长的问
42、题，在使用前会大量放掉管道中的冷水才能使用到热水。随着集热器新产品的开发，目前有将集热器安装于阳台或南面墙的设计，这种方式也是属于分户集热分户储热，但是如果是对于成片的住宅群，由于楼宇间的遮挡，低层用户也很难达到理想的使用效果。因此，多于多、高层建筑，太阳能集热器应安装于屋顶，从而使各层用于均能使用太阳能。而对于高层建筑中所采用的集中集热集中供热系统，集热器统一安装于屋顶，通过管道将热水送到各户，这种方式解决了楼宇遮光问题。但由于为了保证正常使用热水必须安装辅助加热装置，这又给热水的定价和收费带来不确定的因素，容易造成用户之间的纠纷，这种系统比较适合于公共场所。综上所述，对于多、高层民用住宅采
43、用集中供热分户储热系统最为合适。2.3本章小结本章介绍了太阳热水系统的组成和分类，根据建筑不同结构选择合适的热水系统。太阳能热水系统在建筑中的运用主要有三种形式，集中供热集中储热式、集中供热分户储热式和分户集热分户储热式。第三章 太阳能热水系统设计3.1本文所采用的建筑太阳能热水系统本文设计的系统以一栋六层多层民用住宅为例进行设计，一层三户，共24户住户。系统为集中供热、分层储热系统，二十四小时供应热水，采用间接换热的方式，其中一个储热水箱和控制装置安装于专门的设备机房，分户换热水箱置于各户。太阳能集热器统一安装于屋顶，各分户水箱均采用辅助电加热，其系统设计原理图如图3-1所示。图3-1 系统
44、设计原理图Fig 3-1 System design.该系统适宜安装在多层公寓住宅中，系统集中放置太阳能集热器，分户放置独立使用的储水箱，所以该系统对储水箱的投资会略大于集中集热、集中储热系统。该系统具有以下特点：1立管少，只有一个系统，系统运行较稳定，运行成本较低，系统初投资较分户承压型低；2系统结构简明，在屋顶放置集热器，结构负荷小；3分户式辅助加热，每户一套供水系统，用水分户计量，住户可随住随用，便于物业管理无收费问题；4不受楼层到底影响，可实现太阳能资源共享，解决了屋面集热器安装面积不足造成的难题多高层建筑不能使用太阳能；5系统布置灵活，易实现与建筑一体化；6. 分户储热、每户用水量大
45、小不均，贮水箱温度不尽相同，可能造成循环回水温度过高而降低集热效益。水箱承压运行，有效保证冷热水的水压一致，混水均匀，提高了热水使用的舒适度，采用间接换热，有效保证热水的卫生洁净；7. 必须每户设置温度传感器和可靠的电磁阀控制热媒流量，以避免分户式水箱热流倒流；8. 系统闭式循环可避免因水质引起管路和集热器结垢，将热水储存于每户中，这样可以减少水箱占用屋面或地下室面积整个系统的管路在建筑中也不影响建筑美观9. 初期成本相对较高。3.2控制系统的研发内容对于住宅建筑太阳能集中供热分户储热热水系统而言，合理的控制是影响系统正常运行、有效节能的重要因素，通过控制达到提高系统热利用率的作用。由太阳能供
46、热系统的性质所决定，在不同的季节存在着对太阳能的供热和需求存在着反比的情况。夏季是用热淡季，但却是太阳能最为充分的季节，热水系统一般会将富余的热量舍弃掉，造成太阳能热量的利用不够充分；而冬季是用热旺季，太阳能的供给却不够，造成供小于求的局面。同时，由于用水习惯的差别，在较大的集中供热系统中，如果采用集中储热的形式，使用频率的不同会给系统造成额外的热损耗，造成热利用不充分，必须将用户差异化考虑到系统的设计当中。同时，太阳能虽然是清洁免费能源，但是人面使用观念会不节制的使用，从而造成辅助加热的产生，最后导致太阳能不节能的后果。总之，太阳能热水控制系统的研发是能否解决太阳能建筑一体化的重要环节，针对
47、不同的建筑采用不同的热水控制系统是提高热水系统的效率、保证系统运行、确保系统供应需求、优化人们的使用方式等要求的关键问题。本文是在一般集中供热分户储热系统的基础上对其进行改进和优化，研发的内容主要包括两个方面：1.太阳能热水系统集热系统控制装置的研发，即由PLC控制的总控制器的研发；2.太阳能热水系统换热系统控制装置的研发，即由单片机控制的分户控制器的研发。太阳能热水控制系统主要由两部分组成：集热部分和换热部分。总控制器控制系统的运行和集热，分户控制器控制分户的换热。两者通过合理的控制方式，达到智能控制，节约热量的目的。整个控制系统如图3-2所示。图3-2 太阳能热水控制系统图Fig 3-2 Solar water heater control system diagram 图中HV1、HV2、HV3、HV4、HV5为电磁阀，L为流量传感器。T1为太阳能集热器出水温度，T2为回水管温度，T3为缓冲水箱温度，T4为分户管道温度，T5为分户水箱温度。
