水源熱泵作為一種用地下恒溫水源代替冷卻塔的高效節(jié)能空調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，還應(yīng)盡可能減少主機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵等主要耗能設(shè)備的用能。傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)使用定流量的運(yùn)行方式，水源熱泵主機(jī)本身具有能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載變化輸出的能量可以在額定值的25％-100％的范圍內(nèi)調(diào)整。但是，冷凍水泵和冷卻水泵卻不隨著負(fù)載變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，流量保持不變，導(dǎo)致水系統(tǒng)經(jīng)常在大流量、小溫差的工況下運(yùn)行，電能浪費(fèi)很大。采用定溫差變流量的水系統(tǒng)控制，可以避免這種浪費(fèi)。
采用這種控制方式，可以把進(jìn)回水的溫差固定在一個(gè)較大的給定值上，在用戶(hù)負(fù)荷較小時(shí)，通過(guò)減少流量來(lái)滿足用戶(hù)要求，這樣水泵的能耗可以大大減少。隨著冷機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，蒸發(fā)器的流量可以在額定流量的60%-100%范圍內(nèi)變化，這樣就為采用交流變頻調(diào)速器對(duì)水源熱泵系統(tǒng)中的水泵進(jìn)行變流量節(jié)能控制提供了技術(shù)保證。本文將利用PLC、觸摸屏和變頻器對(duì)水源熱泵進(jìn)行變頻節(jié)能控制。
1 變頻節(jié)能控制方案
采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元,其中冷卻水泵、冷凍水泵均采用溫度自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，即用溫度傳感器對(duì)冷卻水、冷凍水的水溫進(jìn)行采樣,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(一般為4-20 mA,0-10 V等)后送至PLC,通過(guò)PLC將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較再作PID運(yùn)算后，決定變頻器輸出頻率,以達(dá)到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到節(jié)能目的。
1.1 冷凍水系統(tǒng)
系統(tǒng)采用定溫差變流量的方式運(yùn)行，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍水泵變頻器工作的最小工作頻率作為水泵運(yùn)行的下限頻率并鎖定；將電動(dòng)機(jī)工頻設(shè)定為上限頻率，改變變頻器頻率就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量。另一方面，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)，一般冷凍水出水溫度設(shè)定為8-10℃,因此，只需控制高溫冷凍水(回水)的溫度,即可控制溫差。為了確保冷凍水的出水回水溫差在設(shè)定的范圍內(nèi)，方案采用溫度傳感器在冷凍水入口測(cè)量水溫T，并與PLC、變頻器及水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，將冷凍水回水溫度控制在△T（一般取5-7℃）。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，回水溫度跟著變化，控制系統(tǒng)跟著溫差的變化調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)系統(tǒng)冷凍水的流量，直到滿足新的負(fù)荷對(duì)冷凍水流量和溫差要求。
當(dāng)水源熱泵系統(tǒng)首次起動(dòng)時(shí)，電機(jī)在工頻下全速運(yùn)行，冷凍水系統(tǒng)充分循環(huán)一段時(shí)間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對(duì)頻率進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。其目的是促進(jìn)冷凍水的流動(dòng)，保證換熱效果。
1.2 冷卻水系統(tǒng)
水源熱泵系統(tǒng)采用溫度不變的地下恒溫水源作為冷凝器的冷卻水源，負(fù)荷變化，冷凝器散發(fā)的熱量也會(huì)變化。取冷凝器兩側(cè)冷卻水的溫度作為控制參數(shù),維持溫差不變，采用溫度傳感器、PLC和變頻器及冷卻水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷卻水流量跟隨熱負(fù)載變化。系統(tǒng)在滿足冷卻需要的前提下,可以避免水泵全功率運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電的目的。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備
以某醫(yī)院病房水源熱泵系統(tǒng)為例，有兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，每臺(tái)輸入功率65kW，Y-△起動(dòng)，每臺(tái)壓縮機(jī)帶有3個(gè)能量調(diào)節(jié)電磁閥，使壓縮機(jī)能分別工作在25%、50%、75%、100%能級(jí)。每臺(tái)壓縮機(jī)帶有排氣溫度過(guò)高保護(hù)，內(nèi)部溫度過(guò)高保護(hù)，高、低壓力保護(hù)，油壓差保護(hù)，均為開(kāi)關(guān)量。系統(tǒng)有冷凍水泵兩臺(tái)(1臺(tái)備用)，功率均為11kW，冷卻水泵兩臺(tái)(1臺(tái)備用),功率均為15kW，每臺(tái)泵各匹配一個(gè)變頻器。系統(tǒng)設(shè)水流開(kāi)關(guān)兩個(gè),一個(gè)用于冷凍水水流，一個(gè)用于冷卻水水流，兩個(gè)水流開(kāi)關(guān)中任何一個(gè)在斷時(shí)，壓縮機(jī)不能起動(dòng)。這些設(shè)備和保護(hù)元件都需要檢測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)和起、停控制，都是開(kāi)關(guān)量。
2.2 控制系統(tǒng)硬件配置
根據(jù)系統(tǒng)分析和控制要求,系統(tǒng)安全運(yùn)行要求控制端計(jì)有:系統(tǒng)啟動(dòng)/停機(jī)按扭2個(gè),壓縮機(jī)排氣溫度保護(hù)2個(gè),高、低壓保護(hù)4個(gè),內(nèi)部溫度過(guò)高保護(hù)2個(gè),油壓差保護(hù)2個(gè),電機(jī)過(guò)流保護(hù)6個(gè),水泵電機(jī)保護(hù)4個(gè)，水流繼電器2個(gè),出水溫度過(guò)低保護(hù)1個(gè),電源相序保護(hù)2個(gè),共要求控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行輸入27個(gè)開(kāi)關(guān)量以及4個(gè)模擬量信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理后，給出的控制信號(hào)包括：驅(qū)動(dòng)水泵變頻器4個(gè),驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行6個(gè),驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)電磁閥6個(gè)，驅(qū)動(dòng)水回路電磁閥2個(gè),共計(jì)輸出開(kāi)關(guān)量18個(gè)。
根據(jù)以上系統(tǒng)要求的輸入/輸出端數(shù)量和系統(tǒng)特性，選擇日本歐姆龍(OMRON)公司生產(chǎn)的PLC系列產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，包括有CP1H-XA40DR-A型號(hào)的PLC 1臺(tái)，NT5Z-ST121B-EC型號(hào)的觸摸屏1臺(tái)，3G3RV系列的變頻器4臺(tái)，CPM1A-TS102型號(hào)溫度傳感器單元1臺(tái)組成。其中觸摸屏和變頻器通過(guò)RS-485串行通訊接口連接到PLC。溫度傳感器單元通過(guò)其所帶的擴(kuò)展I/O連接電纜和PLC相連，4路Pt100直接連接在溫度傳感器單元的接線端。
2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
方案的控制系統(tǒng)以回水溫度為控制目標(biāo)，通過(guò)控制壓縮機(jī)的能級(jí)及水泵的流量，把回水溫度控制在給定值上�；赑LC的水源熱泵節(jié)能控制系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。
主程序主要功能為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行各泵的啟停切換提供信號(hào)、以及處理模擬量和與觸摸屏通信數(shù)據(jù)等�？梢苑譃�4個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、模擬量處理程序、觸摸屏通信程序和主控程序。當(dāng)用戶(hù)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到冷凍水出水和回水的溫差超過(guò)觸屏設(shè)定值之后，程序自動(dòng)跳入到中斷處理程序。及時(shí)調(diào)整變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速改變冷凍水流量，使冷負(fù)荷滿足新的要求，中央空調(diào)的溫度回到設(shè)定的范圍內(nèi)。程序的編制過(guò)程中要考慮水泵的運(yùn)行狀態(tài)及互鎖關(guān)系，避免燒壞變頻器。在設(shè)計(jì)中還要注意PLC和觸摸屏通信能安全可靠，要設(shè)定好RS-485端口的屬性值和波特率，確保程序的地址值和觸屏按鈕的地址一一對(duì)應(yīng)，否則通過(guò)觸屏按鈕就不能控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
觸摸屏系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、運(yùn)行模式選擇、PID參數(shù)設(shè)置、溫度顯示、故障報(bào)警及復(fù)位等界面組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
從圖6中可以看出一啟動(dòng)觸摸屏，則進(jìn)入觸摸屏主界面，在主界面里可以通過(guò)運(yùn)行模式的選擇對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，通過(guò)小鍵盤(pán)設(shè)置合適的PID參數(shù)優(yōu)化控制，通過(guò)溫度顯示界面顯示進(jìn)出水口的溫度變化，運(yùn)行一旦發(fā)生故障，可以從報(bào)警復(fù)位界面顯示故障位置。觸摸屏系統(tǒng)在運(yùn)行控制上不但可以進(jìn)行組態(tài)，而且還能監(jiān)控下位機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一體化的現(xiàn)場(chǎng)管理。
3 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐證明：由PLC、觸摸屏和變頻器組成的水源熱泵節(jié)能控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）根據(jù)實(shí)際需要負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的能級(jí)和水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了從電路到水路的最高效率控制。
（2）采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停止，減少對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的電氣及機(jī)械沖擊，還可以減少設(shè)備的磨損及維護(hù)，延長(zhǎng)主泵電機(jī)的使用壽命。
（3）采用觸摸屏監(jiān)控，一方面可以很方便設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和調(diào)整工況，另一方面能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
