CN203896900U - 一种基于plc的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统 - Google Patents

一种基于plc的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，包括温室大棚、太阳能集热器、地源热泵、换热片、循环泵、储热水箱、生活热水箱及水井等，温室大棚内设有温度计，储热水箱内设有温度传感器和液位传感器，生活热水箱内设有液位传感器，灌溉系统设有温度传感器和流量计，这些设备均与PLC控制器连接，通过PLC控制各回路中控制阀及循环泵的启停状态，最终实现用PLC来控制温室大棚内植物生长所需的最适宜温度。本实用新型充分利用了太阳能和地源能这两种清洁能源，对大棚室内温度进行自动控制，解决了植物在冬季因温度太低生长缓慢以及夏季温度太高产生萎蔫的问题，满足植物一年四季的正常生长需求，是一种高效节能的温室空调控制系统。

Description

一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统
【技术领域】
本实用新型涉及一种太阳能温室大棚温度调控系统，具体涉及一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统。
【背景技术】
目前，我国北方地区大型温室大棚在冬季或夜晚由于地温偏低，影响了植物吸收水分、养分，导致作物生长状况不佳，进而影响产量与效益。为了增加产量，现有温室系统主要以中小型燃煤锅炉作为加热手段，耗煤量大，在北方地区冬季加热成本约占运行总成本的30％～50％，且燃烧时生成大量的CO、SO2、CO2、NOx等有害气体，严重污染环境。中国普遍流行的温室大棚都是被动式温室大棚，其原理就是利用温室大棚自身作为集热器，通过优化温室的结构型式、方位、采光材料、保温覆盖材料等影响因素来最大限度地利用太阳能。由于这种大棚温室本身就是集热系统，因此，温室的采光和保温性能的优劣会直接影响到温室的微气候环境及地温情况，直接影响到温室生产的成败。
近年来，地源热泵方面的研究越来越成熟，地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高效节能环保型能源利用技术，通过输入少量的高品位电能，即可使能量从低温热源向高温热源转移，实现夏季供冷，冬季供热。因此可将太阳能-地源热泵系统应用于温室大棚系统中，为现代化温室设计一种“空调”控制系统，对温室大棚内的温度进行自动调控，从而满足大棚内植物的正常生长需求。
【实用新型内容】
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，包括温室大棚以及安装在温室大棚上方的太阳能集热器，安装在温室大棚内的换热片，在温室大棚外还安装有储热水箱；其中，太阳能集热器及换热片分别经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与储热水箱相连通形成循环回路，且在换热片与储热水箱相连通的一条管路上还安装有第一循环泵，储热水箱的出口还通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与生活热水箱的入口相连通，生活热水箱的出口通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与生活热水系统相连通，储热水箱的入口经水井管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀、第二循环水泵与水井相连，储热水箱还经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与地源热泵相连通形成循环回路，且在地源热泵与储热水箱相连通的一条管路上还安装有第三循环泵。
本实用新型进一步改进在于：地源热泵与储热水箱相连通的两条管路经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀相连通。
本实用新型进一步改进在于：第二循环水泵的出口还与连通生活热水箱和生活热水系统管路上的控制阀相连通。
本实用新型进一步改进在于：第二循环水泵的出口还连接有与安装在温室大棚内的灌溉系统相连的灌溉管路，灌溉管路上安装有与PLC控制器相连的控制阀，且该灌溉管路还通过另一管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与储热水箱相连。
本实用新型进一步改进在于：灌溉管路上还安装有水管温度传感器和流量计。
本实用新型进一步改进在于：温室大棚内还安装有与PLC控制器相连的温度计。
本实用新型进一步改进在于：储热水箱内设有温度传感器和液位传感器。
本实用新型进一步改进在于：生活热水箱内设有液位传感器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型将太阳能、地热能这两种清洁能源应用于温室大棚系统中，为现代化温室设计一种“空调”自动控制系统。具体来说，太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统是一种节能、环保及可持续发展能源采掘与利用装置，不仅可以解决现有温室加热污染问题，同时也满足了当前国内、国际对新能源开发利用的号召，具有一定的经济价值与社会价值。
【附图说明】
图1为本实用新型基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统的结构示意图；
图2为PLC控制器的结构图。
其中，1-温室大棚，2-太阳能集热器，3-储热水箱，4-生活热水箱，5-生活热水系统，6-水井，7-温度计，8-换热片，9-温度传感器，10-第一液位传感器，11-第二液位传感器，12-水管温度传感器，13-流量计，14-地源热泵。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，包括温室大棚1、太阳能集热器2、储热水箱3、生活热水箱4、生活热水系统5、水井6、温度计7、换热片8、储热水箱内的温度传感器9和第一液位传感器10、生活热水箱内的第二液位传感器11、灌溉管路上的温度传感器12和流量计13、地源热泵14、换热片第一循环泵B1、水井第二循环泵B2、地源热泵第三循环泵B3及第一至第十二控制阀T1～T12。
具体来说，本实用新型包括温室大棚1以及安装在温室大棚1上方的太阳能集热器2，安装在温室大棚1内的换热片8，在温室大棚1外还安装有储热水箱3；其中，太阳能集热器2经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第一控制阀T1、第二控制阀T2与储热水箱3相连通形成循环回路，换热片8经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第三控制阀T3、第四控制阀T4与储热水箱3相连通形成循环回路，且在换热片8与储热水箱3相连通的一条管路上还安装有第一循环泵B1；储热水箱3的出口还通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第五控制阀T5与生活热水箱4的入口相连通，生活热水箱4的出口通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第八控制阀T8与生活热水系统5相连通；储热水箱3的入口经水井管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第六控制阀T6、第二循环水泵B2与水井6相连，储热水箱3还经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第十控制阀T10、第十一控制阀T11与地源热泵14相连通形成循环回路，且在地源热泵14与储热水箱3相连通的一条管路上还安装有第三循环泵B3，当太阳能集热器2提供的能量不能或者超过温室所需的能量时，可以通过调节地源热泵14进行辅热或制冷，使大棚保持植物所需温度。
进一步地，地源热泵14与储热水箱3相连通的两条管路经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第十二控制阀T12相连通。
第二循环水泵B2的出口还与连通生活热水箱4和生活热水系统5管路上的第八控制阀T8相连通。此外，第二循环水泵B2的出口还连接有与安装在温室大棚1内的灌溉系统相连的灌溉管路，灌溉管路上安装有与PLC控制器相连的第七控制阀T7，且该灌溉管路还通过另一管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的第九控制阀T9与储热水箱4相连，此外，灌溉管路上还安装有水管温度传感器12和流量计13，通过调节水温和流量使灌溉达到最佳效果，且不影响植物一年四季生长。
进一步地，温室大棚1内还安装有与PLC控制器相连的温度计7，可随时监测并通过控制系统来调节室内温度，保证植物最适宜的生长温度，且温室大棚1内的多组换热器片8，冬天可通过开启第一控制阀T1、第二控制阀T2对温室大棚1进行热量补充。储热水箱3内设有温度传感器9和第二液位传感器11，通过自动调节控制阀和第一循环泵的开启，使储热水箱3内温度和液位保持设定值。生活热水箱4内设有第一液位传感器10，通过第二循环泵B2控制水井6的上水，生活热水箱4的出水口处设有的第八控制阀T8，通过混合热水和井水，为日常生活提供适宜温度的生活用水。
如图2所示，PLC控制器通过TCP/IP接口与上位机网络进行数据通信，并将运行状态显示在显示器上，上位机实时从PLC采集数据，并向其发送启停、急停、暂停、复位等开关量信号以及温度传感器、液位传感器及流量计等模拟量信号，并由PLC输出数字量信号控制控制阀、循环泵等启停状态，自动调节温室大棚内温度。具体控制情况见下表：
表1 PLC输入/输出信号
冬季供暖工况：当太阳能可满足温室大棚1内温度计7设定值时，第十控制阀T10、第十一控制阀T11和第十二控制阀T12关闭，地源热泵关闭，太阳能温室大棚系统打开，第一至第四控制阀T1～T4开启。太阳能集热器2通过吸收太阳能提供热量，加热储热水箱3内的水，储热水箱3内设有温度传感器9和液位传感器11，根据设定值控制储热水箱3内温度和液位保持恒定，储热水箱3通过第四控制阀T4与第一循环泵B1相连，最终和温室大棚1内的换热片8形成一个控制回路，然后通过温室大棚1内的温度计7监测并控制温室大棚1内的温度值，保证植物最适宜的生长温度；当不能满足温室大棚1内温度计7的设定值时，同时启动地源热泵14和太阳能温室大棚系统，第一至第四控制阀T1～T4以及第十至第十二控制阀T10～T12开启，此时地源热泵14通过辅热对太阳能进行能量补充。地源热泵14通过第三循环泵B3向储热水箱3提供地热能，控制温室大棚1内换热片8的温度，从而保持温室大棚1在设定的温度内。
夏季制冷工况：当夏季温度过高时，超过温室大棚1内温度计7的设定值时，地源热泵14打开，太阳能温室大棚系统关闭，第三控制阀T3、第四控制阀T4以及第十至第十二控制阀T10～T12开启，第一控制阀T1和第二控制阀T2关闭。此时，地源热泵14通过第三循环泵B3，采用地下水机组，与比环境空气温度低的土壤进行热交换，形成一条空调回路，对温室大棚1进行制冷，从而保证植物生长温度。
昼夜交替工况：夜间运行采用地源热泵14，第一控制阀T1、第二控制阀T2关闭，第十控制阀T10、第十一控制阀T11开启，第十二控制阀T12开启，日间则采用太阳能热泵联合控制系统，在此期间让土壤温度自然恢复，此种工况适于应用于冬季昼夜均需保温的植物。
生活用水系统：打开第五控制阀T5、第六控制阀T6和第八控制阀T8，这样就可以通过储热水箱3、生活热水箱4、第八控制阀T8和生活用水系统5为日常生活提供适宜温度的生活用水。生活热水箱4内设有第一液位传感器10，当液位低于设定值时可自动开启第二循环泵B2从水井6上水。
灌溉系统：打开灌溉系统和太阳能系统，关闭其他系统，灌溉水管内设有温度传感器12和流量计13。当冬季地下水温度过低，低于植物灌溉需求温度设定值时，第一控制阀T1、第二控制阀T2、第六控制阀T6、第七控制阀T7和第九控制阀T9开启，水井6内的水通过第二循环泵B2将水抽出来以后，经过储热水箱3处的第九控制阀T9将井水进行一定的混合预热后，再进行灌溉；夏天大棚内温度过高且需要灌溉时，根据设定情况，第九控制阀T9关闭，第七控制阀T7开启，水井6内的水直接通过第二循环泵B2被抽出，并采用喷灌方式对温室大棚1内植物进行灌溉，同时井水在喷灌过程可带走一部分热量，帮助降低温室大棚1内温度，使其满足植物的生长条件。
需要说明的是：上述涉及的PLC控制器，其涉及的软件均为现有软件，本实用新型在于硬件的组合创新。
上述的实施案例，只是本实用新型的一个实例并不是用来限制本实用新型的实施与权力范围，因此，在不脱离本实用新型范畴的情况下所做的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：包括温室大棚(1)以及安装在温室大棚(1)上方的太阳能集热器(2)，安装在温室大棚(1)内的换热片(8)，在温室大棚(1)外还安装有储热水箱(3)；其中，太阳能集热器(2)及换热片(8)分别经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与储热水箱(3)相连通形成循环回路，且在换热片(8)与储热水箱(3)相连通的一条管路上还安装有第一循环泵(B1)，储热水箱(3)的出口还通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与生活热水箱(4)的入口相连通，生活热水箱(4)的出口通过管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与生活热水系统(5)相连通，储热水箱(3)的入口经水井管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀、第二循环水泵(B2)与水井(6)相连，储热水箱(3)还经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与地源热泵(14)相连通形成循环回路，且在地源热泵(14)与储热水箱(3)相连通的一条管路上还安装有第三循环泵(B3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：地源热泵(14)与储热水箱(3)相连通的两条管路经管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀相连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：第二循环水泵(B2)的出口还与连通生活热水箱(4)和生活热水系统(5)管路上的控制阀相连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：第二循环水泵(B2)的出口还连接有与安装在温室大棚(1)内的灌溉系统相连的灌溉管路，灌溉管路上安装有与PLC控制器相连的控制阀，且该灌溉管路还通过另一管路及安装在该管路上的与PLC控制器相连的控制阀与储热水箱(4)相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：灌溉管路上还安装有水管温度传感器(12)和流量计(13)。
6.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：温室大棚(1)内还安装有与PLC控制器相连的温度计(7)。
7.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：储热水箱(3)内设有温度传感器(9)和液位传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳能温室大棚与地源热泵联合控制系统，其特征在于：生活热水箱(4)内设有液位传感器。
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