摘要:文章闡明了地源熱泵的工作原理,分析了系統(tǒng)中空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式,進(jìn)而設(shè)計(jì)出水溫空調(diào)的供水管路系統(tǒng),在分析幾種控制方案式的基礎(chǔ)上,從熱泵機(jī)組用戶的角度出發(fā),在利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量分配控制的框架下,應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫空調(diào)系統(tǒng)的恒壓供水,以提高資源利用率。文章還研究并實(shí)施了基于電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行變頻恒壓供水控制的兩種方法,給出了所選用變頻器的在兩種接入方法中的參數(shù)設(shè)置。
關(guān)鍵詞:地源熱泵;變頻器;恒壓供水;空調(diào)系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TU832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)23-0062-02
地源熱泵是以地源能(土壤、地下水、地表水、低溫地?zé)崴蛭菜?作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫?zé)嵩聪到y(tǒng),熱泵通過消耗少量高品位能源,把熱量由低溫級(jí)上升到高溫級(jí),從而達(dá)到采暖、制冷或供應(yīng)熱水的目的。它用來替代傳統(tǒng)的用制冷機(jī)和鍋爐進(jìn)行空調(diào)、采暖和供熱的模式,能有效改善城市大氣環(huán)境,節(jié)約高品位能源。其中,水源熱泵須從地下打出深度為80～600m的深井,將溫度大約為13～30℃的井水取出,進(jìn)行能量交換后,再將其回灌到相同水層的地層中,從而實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)處用。
在地源熱泵系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)主要有熱泵機(jī)組集成技術(shù)、熱泵系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)、回灌技術(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)等。熱泵控制系統(tǒng)是整個(gè)熱泵的核心,它在控制熱泵機(jī)組的運(yùn)行的同時(shí),還要采集與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)備運(yùn)行信息,以便進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,合理調(diào)配用戶端的能量供應(yīng)。目前國內(nèi)常見的熱泵控制系統(tǒng),還是以PLC為核心的控制系統(tǒng)為主�；趩纹瑱C(jī)控制的系統(tǒng)也有,但是主要是數(shù)字量的開關(guān)輸出控制。雖然熱泵系統(tǒng)很節(jié)能,但是后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)的控制存在缺陷,降低節(jié)能效果。如:清晨時(shí)分,出風(fēng)口很多處于關(guān)閉狀態(tài),此時(shí)機(jī)組還是滿負(fù)荷運(yùn)行,顯然是浪費(fèi)能量。對(duì)于不同的運(yùn)行環(huán)境,熱泵各時(shí)段的使用量均有所不同,并且各環(huán)節(jié)的配合上也有所講究,因此,根據(jù)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài),研究出不同用戶下的機(jī)組最佳運(yùn)行方法,對(duì)熱泵機(jī)組及其控制對(duì)象進(jìn)行智能化調(diào)控具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文從熱泵機(jī)組用戶的角度出發(fā),在利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量分配控制的框架下,應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫空調(diào)系統(tǒng)的恒壓供水,設(shè)計(jì)出一種基于地源熱泵技術(shù)的空調(diào)供水控制系統(tǒng),從而在提高資源利用率的同時(shí),減少高品位能源的消耗。
一、地源熱泵能量交換與空調(diào)系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)
空調(diào)系統(tǒng)是熱泵應(yīng)用的核心之一,本設(shè)計(jì)中,空調(diào)系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)均依賴雙儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖1)所提供的換熱介質(zhì)工作,通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。圖1設(shè)計(jì)了一種基于熱泵機(jī)組的雙儲(chǔ)能緩沖裝置,它也是一種熱能和取暖或制冷同供的系統(tǒng)。通過雙儲(chǔ)能緩沖裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水源供給系統(tǒng)的控制,夏季盡可能在儲(chǔ)能裝置中進(jìn)行能量交換,從而能有效提高能源的利用率和熱泵機(jī)組的利用率,并盡可能減少對(duì)地下水源的利用,減緩回灌井的老化。由圖1可知,兩個(gè)水箱(儲(chǔ)能裝置)分別用來在夏天儲(chǔ)存冷、熱源,而在冬天儲(chǔ)存熱、熱源,根據(jù)用戶的使用需要通過智能化控制使裝置有效工作,加大能源利用率,提高熱泵機(jī)組的利用率,同時(shí)節(jié)約能源。
其工作原理為:在夏天需要同時(shí)制熱水和制冷時(shí),機(jī)組優(yōu)先使用兩水箱中的冷、熱源,從而在制取熱水的同時(shí)產(chǎn)生冷水,用冷水供給空調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用,提高其運(yùn)行的能效比,任何一方不足時(shí),可通過智能控制方式從地下水中提取能量。
在冬天,同時(shí)供熱水和供暖,此時(shí),從地下水中提供熱量分別進(jìn)入兩個(gè)儲(chǔ)水箱中,兩儲(chǔ)水箱均作為供熱裝置。
根據(jù)用戶端房間的多少配置空調(diào)器的數(shù)量,設(shè)該系統(tǒng)由N臺(tái)空調(diào)器組成,這些空調(diào)器須由房間人員決定是否運(yùn)行及運(yùn)行時(shí)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,因此他們的運(yùn)行要求各不相同,并且開停時(shí)間也不一致。這就使得該系統(tǒng)成為一個(gè)大變流量的恒壓供水系統(tǒng),在管路設(shè)計(jì)中,為了防止水錘對(duì)測(cè)試儀器產(chǎn)生的沖擊,并對(duì)供水壓力進(jìn)行緩沖,本設(shè)計(jì)中采用一種儲(chǔ)氣式緩沖裝置。在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)溢流閥,增加一個(gè)工頻運(yùn)行小泵,這樣,在需求量較小時(shí),由小泵供水以避免變頻大泵低頻運(yùn)行,如果用戶很少時(shí),通過溢流閥進(jìn)行溢流以保證供水壓力的恒定。其管路與相關(guān)裝置如圖2所示。
二、空調(diào)控制系統(tǒng)分析與供水方案的確定
空調(diào)控制系統(tǒng)主要由兩部分組成,即:空調(diào)的風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。在空調(diào)風(fēng)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,使每一個(gè)空調(diào)器作為一個(gè)CAN總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn),并與熱泵控制系統(tǒng)共同組成一個(gè)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)與控制,同時(shí),房間換熱風(fēng)機(jī)還可由室內(nèi)人員自行確定與調(diào)整。在供水系統(tǒng)中,除了在小流量狀況下,主控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)空調(diào)器的使用情況,通過對(duì)壓力參數(shù)分析,結(jié)合變頻器的最低運(yùn)行頻率,通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大小泵運(yùn)行切換外,空調(diào)供水系統(tǒng)在變頻器的運(yùn)行時(shí),可作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
使用變頻器進(jìn)行恒壓供水的控制策略有多種,而通過壓力傳感器進(jìn)行信號(hào)采集比較多見。如在多泵控制系統(tǒng)中,由壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)(4-20MA或0-5V)直接送入PLC的A/D口,設(shè)定給定壓力值,PID參數(shù)值,并通過PLC計(jì)算何時(shí)需切換泵的操作,完成系統(tǒng)控制,系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整,使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。單泵運(yùn)行時(shí),用壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送入變頻器進(jìn)行恒壓PID控制,但這幾種方案的價(jià)格均較高,有時(shí)傳感器在工作一段時(shí)間后易產(chǎn)生零漂移,需重新標(biāo)定等。根據(jù)水溫空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn),只要將壓力控制在一定的范圍內(nèi)即可滿足功能要求,它對(duì)系統(tǒng)控制精度要求不高,因此,本文采用電接點(diǎn)壓力表對(duì)變頻器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)在一定壓力范圍內(nèi)的恒壓供水。
三、變頻器的參數(shù)設(shè)置與信號(hào)接入分析
由企業(yè)根據(jù)用戶的最大使用量確定供水量,進(jìn)而確定水泵功率和變頻器的功率,本文選用invt-P9-011T4型11kW變頻器。根據(jù)變頻器的性能,在總體方案下可采用兩種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單恒壓供水控制:其一是通過變頻器的擴(kuò)展功能,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)頻率設(shè)定值來升、降輸出頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,壓力達(dá)到設(shè)定范圍時(shí),保持相應(yīng)的輸出頻率,即在一定范圍內(nèi)保持運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,從而對(duì)水泵進(jìn)行控制;其二是直接應(yīng)用頻率器的轉(zhuǎn)速追蹤再起動(dòng)功能,讓變頻器在設(shè)定壓力所對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)追蹤起動(dòng)與停止運(yùn)行過程循環(huán)交潛,從而在一定輸出頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。
將水泵出水總管的壓力作為系統(tǒng)的控制目標(biāo),選用0～0.6MPa量程的電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行信息號(hào)采集,并對(duì)變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。由于電接點(diǎn)壓力表的基本結(jié)構(gòu)是在壓力表的基礎(chǔ)上附加一套電接點(diǎn)裝置, 可通過實(shí)測(cè)壓力指針帶動(dòng)動(dòng)觸頭,與上、下限壓力調(diào)節(jié)指針上的定觸頭組成了兩對(duì)常開觸點(diǎn),這樣可將壓力設(shè)定在一定的范圍內(nèi),當(dāng)壓力小于下限,下限接點(diǎn)動(dòng)作,當(dāng)壓力高于上限時(shí),上限接點(diǎn)動(dòng)作,用兩種信號(hào)組合對(duì)變頻器的升速與降速進(jìn)行控制,可完成供水壓力的閉環(huán)控制,達(dá)到基本穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。方法1接入變頻器時(shí)需通過外接模擬量輸入電位器設(shè)定運(yùn)行頻率,這樣可人工調(diào)整泵的最佳運(yùn)行頻率,增強(qiáng)泵的流量適應(yīng)性。方法2只需接入接起停點(diǎn)即可完成對(duì)泵的控制。兩種方法的變頻器參數(shù)設(shè)置分別見表1、表2:
通過實(shí)際安裝與運(yùn)行,兩種方法均可滿足功能要求,其中方法1穩(wěn)定性較好,如果用戶數(shù)不發(fā)生大的變化,變頻器工作在穩(wěn)的頻率范圍內(nèi),壓力波動(dòng)小。用戶數(shù)變化時(shí),也能及時(shí)調(diào)整工作頻率;采用方法2時(shí),接線簡(jiǎn)單,但變頻器一直工作在停車和追蹤起動(dòng)循環(huán)狀態(tài),壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)呈波動(dòng)狀態(tài),電能損耗較方法1稍大。因此,在
正常產(chǎn)品中采用了方法1進(jìn)行控制。
四、結(jié)語
交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能,具有高效率、易維護(hù)等特點(diǎn),已在恒壓供水系統(tǒng)中有許多成功應(yīng)用。有些場(chǎng)合不需要嚴(yán)格PID調(diào)節(jié)就能達(dá)到控制要求,利用變頻器自帶的一些簡(jiǎn)單控制功能就可以實(shí)現(xiàn),這樣可最大限度節(jié)約成本,提高設(shè)備的安全、可靠性。
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