地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動(dòng)控制設(shè)計(jì)_secret

1、地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動(dòng)控制設(shè)計(jì)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(jì)過程關(guān)鍵詞 土壤源熱泵 溫差控制 自控設(shè)計(jì)0 前言空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制應(yīng)該能夠采集，檢測(cè)空調(diào)裝置的工藝參數(shù)，如壓力，溫度，流量等，同時(shí)自動(dòng)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(duì)裝置自動(dòng)控制?？照{(diào)系統(tǒng)兩個(gè)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)兩個(gè)水系統(tǒng)循環(huán)泵進(jìn)行變流量控制，是在一定的控制方式下實(shí)現(xiàn)的。常見的變流量控制方式有壓差變流量控制，溫差變流量控制。1.1 壓差變流量控制壓差變流量控制

2、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(jì)中應(yīng)用最多的一種方案，從泵的運(yùn)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(yùn)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(yáng)程;Q0管網(wǎng)總流量;S1為冷源側(cè)管網(wǎng)阻抗:S2負(fù)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(yáng)程： HB S Q02 (2)則有： H P1 - P0 （S- S1）Q02S2 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

3、特性,不能反映系統(tǒng)負(fù)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)外循環(huán)泵的壓差變流量控制。因?yàn)殡S著水溫度的上升或降低,系統(tǒng)的壓力也會(huì)隨著增大或減小,這使得控制變得撲朔迷離。找到一個(gè)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(fù)荷的變化,供/回水溫差可達(dá)到4.5以上,節(jié)能效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)/外循環(huán)泵變流量控制,適用于土壤

4、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(shí)時(shí)負(fù)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(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)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(jī)組本身具有根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能,采用該控制方法會(huì)出現(xiàn)與機(jī)組控制不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象,甚至?xí)绊憴C(jī)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(duì)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，控制不容易實(shí)現(xiàn)。溫差變流量控制節(jié)能效果明顯，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)特性有一定的

5、要求。對(duì)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€(gè)水系統(tǒng)循環(huán)泵進(jìn)行變流量控制，特別是對(duì)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(shí)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(zhǎng)度為20000米。單孔設(shè)計(jì)孔深為125米，則總孔數(shù)為80個(gè)。末端采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng).設(shè)計(jì)冷負(fù)荷1300kw,熱負(fù)荷1200kw.采用熱泵機(jī)組1臺(tái),變頻器2臺(tái).2.1 控制方案的制定該工程采用DDC(direct digital control)直接數(shù)字化控制系統(tǒng)。由于辦公樓各支路負(fù)荷相差不大，空調(diào)

6、末端管網(wǎng)特性相對(duì)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(jī)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(duì)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(jī)組工作狀況相結(jié)合的控制方式。對(duì)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(chǎng)儀表選擇儀表選擇應(yīng)注意儀表的精度，測(cè)量范圍和輸出信號(hào)的類型。儀表精度代表儀表的靈敏程度，根據(jù)所需被測(cè)參數(shù)的精度要求選擇；測(cè)量范圍應(yīng)在被測(cè)參數(shù)的波動(dòng)范圍內(nèi)；輸出信號(hào)的類型有電流信

7、號(hào)（如420MA）,電壓信號(hào)（如05V）和電阻信號(hào)（如鉑電阻46100）。一般來說電流電壓信號(hào)易受周圍環(huán)境的干擾，但對(duì)接受信號(hào)的板卡要求不高；而電阻信號(hào)不易受周圍環(huán)境的干擾，但對(duì)接受信號(hào)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(cè)量范圍080，輸出信號(hào)420MA；壓力采集采用WQSBP800系列壓力變送器，精度0.1，測(cè)量范圍01.2MP，輸出信號(hào)420MA；流量采集采用1151DP差壓變送器，精度1，測(cè)量范圍31.1186.8KP，輸出信號(hào)420MA；2.2.2 熱泵機(jī)組冷凝器端電動(dòng)閥選取本工程采用的熱泵機(jī)組有三臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)三個(gè)冷凝器，熱泵機(jī)組可以根據(jù)

8、蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)/出口水溫和通過的水流量對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行多級(jí)卸載。如果在壓縮機(jī)停止工作的情況下，與其對(duì)應(yīng)的冷凝器還有水流通過時(shí)，會(huì)造成能源的浪費(fèi)。假設(shè)冬季某一時(shí)刻1，2號(hào)壓縮機(jī)停止工作，3號(hào)壓縮機(jī)正常工作下，設(shè)冷凝器流量G，1，2，3號(hào)冷凝器流量都為G/3,冷凝器進(jìn)口溫度T1，出口溫度T2，3號(hào)冷凝器吸熱量Q，3號(hào)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(huì)造成能源的浪費(fèi)。因而在三個(gè)冷凝器出口處安裝電動(dòng)閥，與熱泵機(jī)組壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)，壓縮機(jī)工作與其對(duì)應(yīng)的冷凝器上電動(dòng)閥打開，壓

9、縮機(jī)停在工作與其對(duì)應(yīng)的冷凝器上電動(dòng)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(huì)造成變頻器選取不當(dāng)，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FRN75P11S-4CX兩臺(tái)。2.2.4 控制設(shè)備選取2.2.4.1 工

10、控機(jī)采用 ADVANTECH工控機(jī),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(biāo)準(zhǔn)信號(hào) ,并且還能拓展采集路數(shù)。軟件系統(tǒng)采用INTELLUTION基于 PC機(jī)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(dòng)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(bào)警、控制、數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表等功能。不僅能夠顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 ,而且可以顯示數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)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(diǎn) ,軟件系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)為我們編寫解決自動(dòng)控制問題的軟件提供了工具 ,可以用 Visual Basic 快

11、速開發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)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(chǎng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)，直接供計(jì)算機(jī)接受。實(shí)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(chǎng)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(jì)算機(jī)送來的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，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(hào)。模擬量輸入調(diào)理板3塊，主要用于接受現(xiàn)場(chǎng)輸來的電流信號(hào)，并輸入到模擬量輸入接口板中進(jìn)行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。模擬量輸出調(diào)理板1塊，

12、主要用于接受模擬量輸出接口板的電壓信號(hào)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(chǎng)的開/關(guān)信號(hào)。開關(guān)量輸出調(diào)理板1塊，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開/關(guān)控制進(jìn)行。線性電源4塊，用于給儀表和板卡送電。全隔離信號(hào)變送器3個(gè)，主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出信號(hào)進(jìn)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）外循環(huán)流量G與頻率N關(guān)系：F = a + bG + cG2 (a =

13、-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 + cG2 (a =-4.95,b =0.29,c =-0.08419)

14、 （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(jī)組正常工作。一般機(jī)組在非正常工作下會(huì)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(jìn)水溫度過高故障，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機(jī)高壓故障和壓縮機(jī)低壓故障等故障。土壤源熱泵在冬季變流量運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證機(jī)組不出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障，壓縮機(jī)高壓故障，壓縮機(jī)低壓故障。當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)器出口溫度低于機(jī)組蒸發(fā)器最低出口溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障；當(dāng)冷凝器流量低于機(jī)組最小冷凝器流量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障；當(dāng)蒸發(fā)器流量低于機(jī)組最小蒸發(fā)器流量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障；因而在變流量運(yùn)行時(shí)應(yīng)對(duì)蒸發(fā)器出口最低溫度，蒸發(fā)器最小流量和冷凝器

15、最小流量進(jìn)行設(shè)置。 蒸發(fā)器出口最低溫度的設(shè)置參照機(jī)組說明，熱泵機(jī)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(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障。此時(shí)蒸發(fā)器的流量就是機(jī)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(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障此時(shí)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(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障。此時(shí)冷凝器的流量機(jī)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(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障此時(shí)冷凝器流量為123.6M3/h.土壤源熱泵在夏季變流量運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證機(jī)組不出現(xiàn)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度過高故障，壓縮機(jī)高壓故障，壓縮機(jī)低壓故障。當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)

16、器進(jìn)口溫度低于機(jī)組蒸發(fā)器最低進(jìn)口溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度過高故障； 熱泵機(jī)組允許蒸發(fā)器進(jìn)口最低溫度為21。 通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障此時(shí)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(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障此時(shí)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(jìn)行編輯控制程序。 圖9 冬季系統(tǒng)流程圖 圖10 現(xiàn)場(chǎng)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(jī)組正常工作。一般機(jī)組在非正常工作下會(huì)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(jìn)水溫度過高故障，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機(jī)高壓故障和壓縮機(jī)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(jī)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(xiàn)1 胥海倫.空調(diào)水系統(tǒng)變流量運(yùn)行管理的節(jié)能措施.碩士學(xué)位論文，西安交通大學(xué)，20022 侯立泉，等.土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng). 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào),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(jī)械,2