新型節(jié)能空調(diào)控制系統(tǒng)的研制

李長(zhǎng)啟，張?zhí)扉_(kāi)，劉德生，李金鳳

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266033)

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢(shì)的解決供暖和空調(diào)的替代方式。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是多套機(jī)組和水泵運(yùn)行時(shí)，為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，應(yīng)該盡可能減少水泵和機(jī)組的臺(tái)數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加節(jié)能。同時(shí)，也應(yīng)該解決單機(jī)組、水泵長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行而磨損比較大的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。本文介紹基于PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙機(jī)組運(yùn)行的控制。

1 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(tái)水泵，其中兩臺(tái)作為備用水泵，兩套螺桿式水水空調(diào)機(jī)組。控制系統(tǒng)需要檢測(cè)冷凍水的供回水壓力和溫度值的位置見(jiàn)圖1所示。

在普通的機(jī)組運(yùn)行中，單機(jī)組可以根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入功率。但是在雙機(jī)組或者更多機(jī)組的同時(shí)運(yùn)行中，機(jī)組不能根據(jù)負(fù)荷的輕重來(lái)自動(dòng)增減臺(tái)數(shù)及控制其運(yùn)行時(shí)間，導(dǎo)致了電能的大量浪費(fèi)。采用合適的控制策略，可以自動(dòng)控制機(jī)組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)及啟停時(shí)間。采用定壓定溫的控制方法，可以有效減少水泵的運(yùn)行耗能，并且在負(fù)荷輕的時(shí)候，適當(dāng)保留運(yùn)行機(jī)組的數(shù)目，從而避免了上述電能的浪費(fèi)。

圖1 冬季系統(tǒng)運(yùn)行流程

兩臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，機(jī)組的制熱工作參數(shù)如表1所示。

本控制系統(tǒng)主要通過(guò)三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行：

(1)通過(guò)分別設(shè)定冬季和夏季的開(kāi)機(jī)溫度值和關(guān)機(jī)溫度值，使得機(jī)組可以在負(fù)荷輕的時(shí)候減少運(yùn)行臺(tái)數(shù)，并且關(guān)閉對(duì)應(yīng)冷卻水泵，有效減少電能的消耗。

(2)通過(guò)定溫差的方法，來(lái)控制變頻水泵的運(yùn)行狀態(tài)，以降低水泵功耗。

(3)通過(guò)分區(qū)/分時(shí)的控制策略，滿足不同負(fù)荷區(qū)的分時(shí)的供熱/制冷需求。

表1 熱泵機(jī)組制熱工作參數(shù)

2 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

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(yùn)行需要的輸出控制端有：兩臺(tái)機(jī)組和六臺(tái)水泵的啟停控制信號(hào)；兩路負(fù)荷區(qū)域的電磁閥和機(jī)組的冷卻水閥及冷凍水閥；變頻器模擬量輸出一個(gè)；共計(jì)開(kāi)關(guān)量輸出十六個(gè)，模擬量輸出一路。

為了測(cè)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(cè)，冷凍水的供回水壓力檢測(cè)，共四路模擬量輸入；兩臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行及故障；六臺(tái)水泵的故障輸入。共計(jì)輸入開(kāi)關(guān)量十個(gè)，模擬量輸入四路。模擬量的外部輸入輸出點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 模擬量輸入輸出

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(tái)，VF-8Z系列的變頻器一臺(tái)，AFPX-COM6型號(hào)的485通道，模擬量輸出通道DA2。觸摸屏選用MT6070i型號(hào)，通過(guò)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(guò)485通信和兩臺(tái)機(jī)組相連，可以實(shí)時(shí)讀取機(jī)組內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)。包括機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組故障和機(jī)組內(nèi)部的各項(xiàng)壓力及溫度值。

模擬量通過(guò)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(jī)為核心的電路板，將模擬量數(shù)據(jù)存至內(nèi)部存儲(chǔ)器中，通過(guò)485通信將數(shù)據(jù)送至 PLC。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主程序主要可以分為四個(gè)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。

圖2 PLC控制系統(tǒng)組成圖

控制系統(tǒng)分為手動(dòng)運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，手動(dòng)運(yùn)行模式主要為通過(guò)單獨(dú)的按鍵來(lái)獨(dú)立控制每個(gè)水泵和機(jī)組的啟停。自動(dòng)運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)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(gè)溫度值，通過(guò)比較當(dāng)前回水溫度和設(shè)定的溫度值來(lái)選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉機(jī)組的數(shù)量，用來(lái)控制回水溫度在一定的范圍之內(nèi)，達(dá)到用戶的要求。

模擬量輸出部分主要用來(lái)控制變頻器的運(yùn)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(dòng)運(yùn)行模式下，可以在一定范圍內(nèi)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，根據(jù)溫差來(lái)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。

圖3 變頻器反饋控制圖

自動(dòng)運(yùn)行模式分為夏季運(yùn)行模式和冬季運(yùn)行模式。在冬季和夏季分別設(shè)定好四個(gè)溫度值：

TK1：冬季開(kāi)機(jī)溫度1 TK1’：夏季開(kāi)機(jī)溫度 1

TK2：冬季開(kāi)機(jī)溫度2 TK2’：夏季開(kāi)機(jī)溫度 2

TG1：冬季關(guān)機(jī)溫度1 TG1’：夏季關(guān)機(jī)溫度 1

TG2：冬季關(guān)機(jī)溫度2 TG2’：夏季關(guān)機(jī)溫度 2

TH：冷凍水回水溫度

在冬季運(yùn)行模式下，四個(gè)溫度值其邏輯關(guān)系應(yīng)滿足：TK2＜TK1＜TG1＜TG2。

在夏季運(yùn)行模式下，四個(gè)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(fù)荷重，則需要把兩臺(tái)機(jī)組全部開(kāi)啟；

若 TK2＜TH＜TK1，此時(shí)若無(wú)機(jī)組運(yùn)行，則需要開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組；

若TK1＜TH＜TG1，此時(shí)不需要開(kāi)啟或者關(guān)閉機(jī)組；

若TG1＜TH＜TG2，此時(shí)若兩臺(tái)機(jī)組都在運(yùn)行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組；

若TG2＜TH，則需要關(guān)閉所有正在運(yùn)行的機(jī)組。

夏季的系統(tǒng)判斷的邏輯思路為：

若TH’＞TK2’，表明負(fù)荷重，則需要把兩臺(tái)機(jī)組全部開(kāi)啟；

若 TK2’＞TH＞TK1’，此時(shí)若無(wú)機(jī)組運(yùn)行，則需要開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組；

若 TK1’＞TH＞TG1’，此時(shí)不需要開(kāi)啟或者關(guān)閉機(jī)組；

若 TG1’＞TH＞TG2’，此時(shí)若兩臺(tái)機(jī)組都在運(yùn)行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組；

若TG2’＞TH，則需要關(guān)閉所有正在運(yùn)行的機(jī)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(fù)荷輕的時(shí)候關(guān)閉部分運(yùn)行設(shè)備。在實(shí)際的運(yùn)行中，考慮到機(jī)組的開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)對(duì)機(jī)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(dòng)運(yùn)行模式流程圖如圖4所示。

另外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)分時(shí)分段控制。在圖1中，冷凍水側(cè)電磁閥V1對(duì)應(yīng)的是宿舍的回路，電磁閥V2對(duì)應(yīng)的是教室的回路。在觸摸屏上可以分別設(shè)定兩段時(shí)間來(lái)控制兩個(gè)閥的自動(dòng)開(kāi)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(fèi)。

開(kāi)啟機(jī)組時(shí)，需要首先將機(jī)組對(duì)應(yīng)的冷凍側(cè)閥和冷卻側(cè)閥打開(kāi)，同時(shí)還要打開(kāi)對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟水源側(cè)水泵的兩個(gè)閥。待水泵和機(jī)組對(duì)應(yīng)的閥全部打開(kāi)后，然后將對(duì)應(yīng)的冷凍水泵和冷卻水泵打開(kāi)，最后開(kāi)啟機(jī)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(yùn)行狀況良好，節(jié)能效果明顯。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改后可應(yīng)用于類似系統(tǒng)中，來(lái)控制多機(jī)組的運(yùn)行，具有較高的使用價(jià)值和參考價(jià)值。

圖4 自動(dòng)運(yùn)行流程圖

[1]GB50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]FP-X C38AT操作說(shuō)明書_0728.2005.

[3]胡曉波，程花蕊，彭曉楠.基于PLC的水源熱泵節(jié)能控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化博覽，2008(10)：80-82.

[4]吳學(xué)慧，張承虎，趙明明，等.Experimental study on viscosity characteristic of sewage in urban untreated sewage source heat pump system.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版.2010(1)：82-84.