摘 要： 地源熱泵作為一種新型的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，在實際的運行中，特別是多機組運行時，應(yīng)該充分考慮主機和各個水泵的運行耗能問題。重點闡述了地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)、分區(qū)分時段控制及雙機組運行的控制策略。實際運行證明，此控制系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了對水泵和機組的節(jié)能控制。
關(guān)鍵詞： 地源熱泵；可編程邏輯控制器；節(jié)能；空調(diào)系統(tǒng)
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種在技術(shù)上和經(jīng)濟上都具有較大優(yōu)勢的解決供暖和空調(diào)的替代方式。在實際應(yīng)用中，特別是多套機組和水泵運行時，為了進一步提高節(jié)能效果，應(yīng)該盡可能減少水泵和機組的臺數(shù)及運行時間，使系統(tǒng)的運行更加節(jié)能。同時，也應(yīng)該解決單機組、水泵長時運行而磨損比較大的問題，并且實現(xiàn)無人值守。本文介紹基于PLC來實現(xiàn)對雙機組運行的控制。
1 系統(tǒng)運行過程
以某學(xué)校的地源熱泵系統(tǒng)為例，總建筑面積為18 000 m2，系統(tǒng)共有六臺水泵，其中兩臺作為備用水泵，兩套螺桿式水水空調(diào)機組。控制系統(tǒng)需要檢測冷凍水的供回水壓力和溫度值的位置見圖1所示。
在普通的機組運行中，單機組可以根據(jù)負荷的大小自動調(diào)節(jié)輸入功率。但是在雙機組或者更多機組的同時運行中，機組不能根據(jù)負荷的輕重來自動增減臺數(shù)及控制其運行時間，導(dǎo)致了電能的大量浪費。采用合適的控制策略，可以自動控制機組的開啟臺數(shù)及啟停時間。采用定壓定溫的控制方法，可以有效減少水泵的運行耗能，并且在負荷輕的時候，適當(dāng)保留運行機組的數(shù)目，從而避免了上述電能的浪費。
兩臺螺桿式地源熱泵機組，機組的制熱工作參數(shù)如表1所示。
本控制系統(tǒng)主要通過三個方面來實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行：
(1)通過分別設(shè)定冬季和夏季的開機溫度值和關(guān)機溫度值，使得機組可以在負荷輕的時候減少運行臺數(shù)，并且關(guān)閉對應(yīng)冷卻水泵，有效減少電能的消耗。
(2)通過定溫差的方法，來控制變頻水泵的運行狀態(tài)，以降低水泵功耗。
(3)通過分區(qū)/分時的控制策略，滿足不同負荷區(qū)的分時的供熱/制冷需求。
2 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計
2.1 控制系統(tǒng)的硬件
根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)運行需要的輸出控制端有：兩臺機組和六臺水泵的啟停控制信號；兩路負荷區(qū)域的電磁閥和機組的冷卻水閥及冷凍水閥；變頻器模擬量輸出一個；共計開關(guān)量輸出十六個，模擬量輸出一路。
為了測得冷凍水側(cè)的溫差和壓力，系統(tǒng)需要的輸入端有：冷凍水的供回水溫度檢測，冷凍水的供回水壓力檢測，共四路模擬量輸入；兩臺機組的運行及故障；六臺水泵的故障輸入。共計輸入開關(guān)量十個，模擬量輸入四路。模擬量的外部輸入輸出點見表2。
根據(jù)以上輸入輸出量和系統(tǒng)要求，選用FP系列產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)。包括有FP-X-C40型PLC一臺，VF-8Z系列的變頻器一臺，AFPX-COM6型號的485通道，模擬量輸出通道DA2。觸摸屏選用MT6070i型號，通過專用的232通信電纜與PLC連接。
本系統(tǒng)的組成如圖2所示，首先在硬件上滿足了系統(tǒng)的要求。PLC通過485通信和兩臺機組相連，可以實時讀取機組內(nèi)部的各項參數(shù)。包括機組的運行狀態(tài)、機組故障和機組內(nèi)部的各項壓力及溫度值。
模擬量通過A/D輸入模塊將數(shù)據(jù)傳送至PLC內(nèi)部。A/D輸入模塊采用的是以51單片機為核心的電路板，將模擬量數(shù)據(jù)存至內(nèi)部存儲器中，通過485通信將數(shù)據(jù)送至PLC。
2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
主程序主要可以分為四個部分：程序初始化、模擬量輸入處理、模擬量輸出處理和主控程序。
控制系統(tǒng)分為手動運行模式和自動運行模式，手動運行模式主要為通過單獨的按鍵來獨立控制每個水泵和機組的啟停。自動運行模式的設(shè)計是以冷凍水回水溫度值為控制目標(biāo)，在夏季和冬季分別設(shè)定4個溫度值，通過比較當(dāng)前回水溫度和設(shè)定的溫度值來選擇開啟或者關(guān)閉機組的數(shù)量，用來控制回水溫度在一定的范圍之內(nèi)，達到用戶的要求。
模擬量輸出部分主要用來控制變頻器的運行，變頻器的輸出根據(jù)冷凍供回水的設(shè)定溫差而變化。
變頻器反饋控制原理如圖3所示，在手動運行模式下，可以在一定范圍內(nèi)手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出。在自動運行模式下，根據(jù)溫差來控制變頻器的輸出。若溫差大于設(shè)定值，則提高變頻器的輸出；反之，則減小變頻器的輸出，最終使得溫差能趨于設(shè)定的溫差值。
自動運行模式分為夏季運行模式和冬季運行模式。在冬季和夏季分別設(shè)定好四個溫度值：
TK1：冬季開機溫度1 TK1’：夏季開機溫度1
TK2：冬季開機溫度2 TK2’：夏季開機溫度2
TG1：冬季關(guān)機溫度1 TG1’：夏季關(guān)機溫度1
TG2：冬季關(guān)機溫度2 TG2’：夏季關(guān)機溫度2
TH：冷凍水回水溫度
在冬季運行模式下，四個溫度值其邏輯關(guān)系應(yīng)滿足：TK2<TK1<TG1<TG2。
在夏季運行模式下，四個溫度值其邏輯關(guān)系應(yīng)滿足：TK2’>TK1’>TG1’>TG2’。
冬季的系統(tǒng)判斷的邏輯思路為：
若TH<TK2，表明負荷重，則需要把兩臺機組全部開啟；
若TK2<TH<TK1，此時若無機組運行，則需要開啟一臺機組；
若TK1<TH<TG1，此時不需要開啟或者關(guān)閉機組；
若TG1<TH<TG2，此時若兩臺機組都在運行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺機組；
若TG2<TH，則需要關(guān)閉所有正在運行的機組。
夏季的系統(tǒng)判斷的邏輯思路為：
若TH’>TK2’，表明負荷重，則需要把兩臺機組全部開啟；
若TK2’>TH>TK1’，此時若無機組運行，則需要開啟一臺機組；
若TK1’>TH>TG1’，此時不需要開啟或者關(guān)閉機組；
若TG1’>TH>TG2’，此時若兩臺機組都在運行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺機組；
若TG2’>TH，則需要關(guān)閉所有正在運行的機組。
采用此方法首先可以把冷凍水回水溫度控制在設(shè)定好的溫度范圍之內(nèi)，也可以在負荷輕的時候關(guān)閉部分運行設(shè)備。在實際的運行中，考慮到機組的開關(guān)機次數(shù)對機組產(chǎn)生的磨損，在冬季，可以將設(shè)定值調(diào)得高一些；在夏季，可以將設(shè)定值調(diào)得低一些。系統(tǒng)的自動運行模式流程圖如圖4所示。
另外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了對系統(tǒng)分時分段控制。在圖1中，冷凍水側(cè)電磁閥V1對應(yīng)的是宿舍的回路，電磁閥V2對應(yīng)的是教室的回路。在觸摸屏上可以分別設(shè)定兩段時間來控制兩個閥的自動開關(guān)。白天關(guān)閉宿舍的冷凍水回路，夜晚關(guān)閉教室的冷凍水回路。避免了能量浪費。
開啟機組時，需要首先將機組對應(yīng)的冷凍側(cè)閥和冷卻側(cè)閥打開，同時還要打開對應(yīng)的開啟水源側(cè)水泵的兩個閥。待水泵和機組對應(yīng)的閥全部打開后，然后將對應(yīng)的冷凍水泵和冷卻水泵打開，最后開啟機組。
目前，基于PLC、觸摸屏和變頻器的的控制系統(tǒng)已經(jīng)在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)的運行狀況良好，節(jié)能效果明顯。本設(shè)計經(jīng)過適當(dāng)修改后可應(yīng)用于類似系統(tǒng)中，來控制多機組的運行，具有較高的使用價值和參考價值。
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