226地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動控制設(shè)計全文

1、地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動控制設(shè)計郝慶1 張子平1 王宏偉 2 李永1河北工程大學1河北科技師范學院2摘要 分析了壓差變流量控制，溫差變流量控制的原理和存在問題，通過具體工程說明土壤源熱泵溫差變流量控制的設(shè)計過程關(guān)鍵詞 土壤源熱泵 溫差控制 自控設(shè)計0 前言空調(diào)系統(tǒng)自動控制應(yīng)該能夠采集，檢測空調(diào)裝置的工藝參數(shù)，如壓力，溫度，流量等，同時自動調(diào)節(jié)某些工藝參數(shù)，使之恒定或按一定規(guī)律變化，還應(yīng)對裝置自動控制。空調(diào)系統(tǒng)兩個水系統(tǒng)采用變流量控制，已經(jīng)受到越來越多人的重視。1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制方式對空調(diào)系統(tǒng)兩個水系統(tǒng)循環(huán)泵進行變流量控制，是在一定的控制方式下實現(xiàn)的。常見的變流量控制方式有

2、壓差變流量控制，溫差變流量控制。1.1 壓差變流量控制壓差變流量控制是用變頻器改變泵的流量,保持空調(diào)系統(tǒng)供/回水干管兩側(cè)壓差的穩(wěn)定。它是目前工程設(shè)計中應(yīng)用最多的一種方案，從泵的運行特性出發(fā),充分發(fā)揮水泵效率，采用這種控制方式下的空調(diào)系統(tǒng)運行穩(wěn)定. 圖1 壓差變流量控制流程圖基本原理：設(shè)空調(diào)系統(tǒng)供、回水干管兩端壓差分別為P1、P0; HB為循環(huán)水泵的揚程;Q0管網(wǎng)總流量;S1為冷源側(cè)管網(wǎng)阻抗:S2負荷側(cè)管網(wǎng)阻抗:S管網(wǎng)總阻抗; H壓差設(shè)定值。供、回水干管兩端壓差： P1 - P0 HB - S1 Q02 (1)循環(huán)水泵揚程： HB S Q02 (2)則有： H P1 - P0 （S- S1）Q0

3、2S2 Q02 (3) 由于只考慮到系統(tǒng)的管網(wǎng)特性,為考慮系統(tǒng)的熱力特性,不能反映系統(tǒng)負荷的變化,不能保證室內(nèi)溫/濕度要求,節(jié)能效果不明顯。 對泵的要求很高,要求泵的性能曲線陡峭, 性能曲線平滑的效果不明顯。 對于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng),外循環(huán)管網(wǎng)阻抗變化不大,很難實現(xiàn)對外循環(huán)泵的壓差變流量控制。因為隨著水溫度的上升或降低,系統(tǒng)的壓力也會隨著增大或減小,這使得控制變得撲朔迷離。找到一個符合系統(tǒng)管網(wǎng)特性的H設(shè)定值較困難。1.2 溫差變流量控制溫差變流量控制是用變頻器改變泵的流量,保持空調(diào)系統(tǒng)供/回水溫差穩(wěn)定。從空調(diào)系統(tǒng)熱力特性出發(fā),能保證室內(nèi)溫/濕度要求，能夠反映系統(tǒng)負荷的變化,供/回水溫差可達到4

4、.5以上,節(jié)能效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對內(nèi)/外循環(huán)泵變流量控制,適用于土壤源熱泵變流量控制。圖2 溫差變流量控制流程圖基本原理：Q為實時負荷量；T空調(diào)系統(tǒng)供、回水溫差；Q0管網(wǎng)總流量。Q Q0T/0.86 (4)保持T恒定，Q0隨著Q的變化而變化。溫差變流量控制沒有考慮系統(tǒng)管網(wǎng)特性,可能會造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。因而只適用于管網(wǎng)特性基本不變或變化不大的空調(diào)系統(tǒng)。由于機組本身具有根據(jù)負荷變化進行自動調(diào)節(jié)的功能,采用該控制方法會出現(xiàn)與機組控制不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象,甚至會影響機組的正常工作.1.3 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制 通過對壓差變流量控制，溫差變流量控制分析可以看出，壓差變流量控制節(jié)能效果不明顯，控制不容易

5、實現(xiàn)。溫差變流量控制節(jié)能效果明顯，容易實現(xiàn)，但對系統(tǒng)管網(wǎng)特性有一定的要求。對于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用溫差變流量控制能夠?qū)蓚€水系統(tǒng)循環(huán)泵進行變流量控制，特別是對于外循環(huán)泵，由于外循環(huán)管網(wǎng)特性基本穩(wěn)定，S（管網(wǎng)阻抗）基本不變，采用溫差變流量控制方式效果更明顯。2 工程實例某辦公樓地下2層,地上7層,總建筑面積15000m2。采用土壤源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng), 地下埋管總長度為20000米。單孔設(shè)計孔深為125米，則總孔數(shù)為80個。末端采用風機盤管加新風系統(tǒng).設(shè)計冷負荷1300kw,熱負荷1200kw.采用熱泵機組1臺,變頻器2臺.2.1 控制方案的制定該工程采用DDC(direct digital c

6、ontrol)直接數(shù)字化控制系統(tǒng)。由于辦公樓各支路負荷相差不大，空調(diào)末端管網(wǎng)特性相對穩(wěn)定。冬季末端空調(diào)水系統(tǒng)采用室內(nèi)循環(huán)供/回水溫差,室內(nèi)循環(huán)供水溫度和機組工作狀況相結(jié)合的控制方式，為了保證室內(nèi)溫度要求，控制方案中考慮了室內(nèi)循環(huán)供水溫度。對于地下埋管循環(huán)水系統(tǒng)采用地下埋管供/回水溫差,蒸發(fā)器出口溫度和機組工作狀況相結(jié)合的控制方式。對蒸發(fā)器出口溫度的控制是基于防止地下水溫度過低出現(xiàn)結(jié)冰考慮的。圖3 冬季內(nèi)循環(huán)變流量控制環(huán)路 圖4 冬季外循環(huán)變流量控制環(huán)路2.2 控制設(shè)備選擇2.2.1 現(xiàn)場儀表選擇儀表選擇應(yīng)注意儀表的精度，測量范圍和輸出信號的類型。儀表精度代表儀表的靈敏程度，根據(jù)所需被測參數(shù)的精

7、度要求選擇；測量范圍應(yīng)在被測參數(shù)的波動范圍內(nèi)；輸出信號的類型有電流信號（如420MA）,電壓信號（如05V）和電阻信號（如鉑電阻46100）。一般來說電流電壓信號易受周圍環(huán)境的干擾，但對接受信號的板卡要求不高；而電阻信號不易受周圍環(huán)境的干擾，但對接受信號的板卡要求很高。本工程溫度采集采用RWB系列一體化溫度變送器，精度±5，測量范圍080，輸出信號420MA；壓力采集采用WQSBP800系列壓力變送器，精度0.1，測量范圍01.2MP，輸出信號420MA；流量采集采用1151DP差壓變送器，精度1，測量范圍31.1186.8KP，輸出信號420MA；2.2.2 熱泵機組冷凝器端電動閥

8、選取本工程采用的熱泵機組有三臺壓縮機對應(yīng)三個冷凝器，熱泵機組可以根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器的進/出口水溫和通過的水流量對壓縮機進行多級卸載。如果在壓縮機停止工作的情況下，與其對應(yīng)的冷凝器還有水流通過時，會造成能源的浪費。假設(shè)冬季某一時刻1，2號壓縮機停止工作，3號壓縮機正常工作下，設(shè)冷凝器流量G，1，2，3號冷凝器流量都為G/3,冷凝器進口溫度T1，出口溫度T2，3號冷凝器吸熱量Q，3號冷凝器出口溫度T1.Q=G(T1- T1)/(0.86*3)=G(T2- T1)/0.86得T2=( T1+2 T1) 因T1> T1,所以T1> T2.這就會造成能源的浪費。因而在三個冷凝器出口處安裝電動

9、閥，與熱泵機組壓縮機聯(lián)動，壓縮機工作與其對應(yīng)的冷凝器上電動閥打開，壓縮機停在工作與其對應(yīng)的冷凝器上電動閥關(guān)閉，2.2.3 變頻器選擇變頻器選擇主要是其功率的選擇。變頻器功率一般按泵功率的1.1倍選取。這樣選取會造成變頻器選取不當，變頻器可能在泵在額定電流下不能正常工作，出現(xiàn)電流過載的故障。應(yīng)按照水泵的額定電流和水泵功率相結(jié)合選取。如水泵功率為55KW，額定電流為101A，按泵功率選取功率大于W1=55*1.1=60.5W的變頻器，按額定電流選取功率大于W2=1.732*380*101=66.5KW的變頻器.最后選取功率大于66.5KW的變頻器。本工程選取變頻器FRN45P11S-4CX和FRN

10、75P11S-4CX兩臺。2.2.4 控制設(shè)備選取2.2.4.1 工控機采用 ADVANTECH工控機,可采集包括溫濕度、壓力、流量、功率和液位傳感器變送的 120 路標準信號 ,并且還能拓展采集路數(shù)。軟件系統(tǒng)采用INTELLUTION基于 PC機的分布式處理客戶/ 服務(wù)器的 FIX 軟件 ,它是一種分布式自動化和控制軟件。其基本功能是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 ,還具有監(jiān)視、監(jiān)控、報警、控制、數(shù)據(jù)歸檔和報表等功能。不僅能夠顯示數(shù)據(jù)的實時趨勢曲線 ,而且可以顯示數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線。軟件系統(tǒng)提供了一套 Visual Basic語言函數(shù)集 ,可以讀寫系統(tǒng)中的任一數(shù)據(jù)點 ,軟件系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)為我們編寫解決

11、自動控制問題的軟件提供了工具 ,可以用 Visual Basic 快速開發(fā)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用程序。其處理能力可以滿足各種類型的配置和處理策略 ,并可方便地進行分布式處理或集中式處理.2.2.4.2 其它設(shè)備模擬量輸入接口板1塊，主要用于將模擬量輸入調(diào)理板調(diào)理的現(xiàn)場模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，直接供計算機接受。實現(xiàn)A/D模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。供顯示器顯示現(xiàn)場采集的溫度，壓力和流量數(shù)據(jù)。模擬量輸出接口板1塊，主要用于接受計算機送來的二進制數(shù)字信號，直接經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出給模擬量輸出調(diào)理板，用于輸出控制變頻器的電流信號。模擬量輸入調(diào)理板3塊，主要用于接受現(xiàn)場輸來的電流信號，并輸入

12、到模擬量輸入接口板中進行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。模擬量輸出調(diào)理板1塊，主要用于接受模擬量輸出接口板的電壓信號輸?shù)阶冾l器的控制端。開關(guān)量輸入調(diào)理板1塊，主要用于接受現(xiàn)場的開/關(guān)信號。開關(guān)量輸出調(diào)理板1塊，主要是對現(xiàn)場開/關(guān)控制進行。線性電源4塊，用于給儀表和板卡送電。全隔離信號變送器3個，主要用于對現(xiàn)場輸入輸出信號進行隔離，防止電磁干擾。2.3 控制參數(shù)的獲取和軟件編程2.3.1 控制參數(shù)的獲取2.3.1.1 內(nèi)/外循環(huán)泵流量G與控制信電流I關(guān)系圖5 內(nèi)循環(huán)流量頻率關(guān)系圖 圖6 外循環(huán)流量頻率關(guān)系圖內(nèi)循環(huán)流量G與頻率N關(guān)系：F = a + bG （a = -0.805， b =0.17 ） （5）

13、外循環(huán)流量G與頻率N關(guān)系：F = a + bG + cG2 (a =-0.0293, b =-0.76, c =0.0349) （6）圖7 內(nèi)循環(huán)頻率與控制電流關(guān)系圖 圖8 外循環(huán)頻率與控制電流關(guān)系圖內(nèi)循環(huán)頻率N與控制電流I關(guān)系：I = a + bF （a = 3.75，b = 0.326 ） （7）外循環(huán)頻率N與控制電流I關(guān)系：I = a + bF （a = 3.52, b =0.33 ） （8）由（5）（6）（7）（8）得：內(nèi)循環(huán)泵控制電流I與流量G關(guān)系：I = a + bG, (a = 2.03, b = 0.0649 ) （9）外循環(huán)泵控制電流I與流量G關(guān)系：I = a + bG +

14、cG2 (a =-4.95,b =0.29,c =-0.08419) （10）2.3.1.2 其它參數(shù)的選定溫差變流量控制，必須保證熱泵機組正常工作。一般機組在非正常工作下會出現(xiàn)蒸發(fā)器水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進水溫度過高故障，蒸發(fā)器進水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機高壓故障和壓縮機低壓故障等故障。土壤源熱泵在冬季變流量運行時，應(yīng)保證機組不出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障，壓縮機高壓故障，壓縮機低壓故障。當機組蒸發(fā)器出口溫度低于機組蒸發(fā)器最低出口溫度時，就會出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障；當冷凝器流量低于機組最小冷凝器流量時，就會出現(xiàn)壓縮機高壓故障；當蒸發(fā)器流量低于機組最小蒸發(fā)器流量時，就會出現(xiàn)壓縮機低壓故

15、障；因而在變流量運行時應(yīng)對蒸發(fā)器出口最低溫度，蒸發(fā)器最小流量和冷凝器最小流量進行設(shè)置。 蒸發(fā)器出口最低溫度的設(shè)置參照機組說明，熱泵機組允許蒸發(fā)器出口最低溫度為4。 蒸發(fā)器最小流量的設(shè)置可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障。此時蒸發(fā)器的流量就是機組允許的蒸發(fā)器最小流量。通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障此時蒸發(fā)器流量為96.4M3/h. 冷凝器最小流量的設(shè)置可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障。此時冷凝器的流量機組允許的冷凝器最小流量。通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障此時冷凝器流量為123.6M3/h.土壤源熱泵在夏季變流量運行時，應(yīng)保證機組不出

16、現(xiàn)蒸發(fā)器進水溫度過高故障，壓縮機高壓故障，壓縮機低壓故障。當機組蒸發(fā)器進口溫度低于機組蒸發(fā)器最低進口溫度時，就會出現(xiàn)蒸發(fā)器進水溫度過高故障； 熱泵機組允許蒸發(fā)器進口最低溫度為21。 通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障此時蒸發(fā)器流量為150.6M3/h. 通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障此時冷凝器流量為124.5M3/h.2.3.2 軟件編程繪制系統(tǒng)流程圖，利用FIX自帶的編程工具進行編輯控制程序。 圖9 冬季系統(tǒng)流程圖 圖10 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集3 結(jié)論3.1 變頻器應(yīng)按照水泵的額定電流和水泵功率相結(jié)合選取。3.2 差變流量控制，必須保證熱泵機組正常工作。一般機組在非正常工作下會出現(xiàn)蒸發(fā)器水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進水溫度過高故障，蒸發(fā)器進水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機高壓故障和壓縮機低壓故障等故障。3.3 土壤源熱泵系統(tǒng)內(nèi)/外循環(huán)泵內(nèi)循環(huán)采用供/回水溫差,內(nèi)循環(huán)供水溫度和機組工作狀況相結(jié)合的控制方式,能夠使內(nèi)/外循環(huán)供/回水溫差顯著提高,節(jié)能效果明顯。參考文獻1 胥海倫.空調(diào)水系統(tǒng)變流量運行管理的節(jié)能措施.碩士學位論文，西安交通大學，20022 侯立泉，等.土壤源熱泵實驗裝置的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng). 河北建筑科技學院學報,2003,(1):15183 王寒棟. 空調(diào)冷凍水泵變頻控制方式分析與比較. 制冷空調(diào)與電力機械