摘 要： 地源熱泵作為一種新型的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，在實際的運行中，特別是多機(jī)組運行時，應(yīng)該充分考慮主機(jī)和各個水泵的運行耗能問題。重點闡述了地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)、分區(qū)分時段控制及雙機(jī)組運行的控制策略。實際運行證明，此控制系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了對水泵和機(jī)組的節(jié)能控制。
關(guān)鍵詞： 地源熱泵；可編程邏輯控制器；節(jié)能；空調(diào)系統(tǒng)
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)勢的解決供暖和空調(diào)的替代方式。在實際應(yīng)用中，特別是多套機(jī)組和水泵運行時，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)組的臺數(shù)及運行時間，使系統(tǒng)的運行更加節(jié)能。同時，也應(yīng)該解決單機(jī)組、水泵長時運行而磨損比較大的問題，并且實現(xiàn)無人值守。本文介紹基于PLC來實現(xiàn)對雙機(jī)組運行的控制。
1 系統(tǒng)運行過程
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)共有六臺水泵，其中兩臺作為備用水泵，兩套螺桿式水水空調(diào)機(jī)組?？刂葡到y(tǒng)需要檢測冷凍水的供回水壓力和溫度值的位置見圖1所示。
在普通的機(jī)組運行中，單機(jī)組可以根據(jù)負(fù)荷的大小自動調(diào)節(jié)輸入功率。但是在雙機(jī)組或者更多機(jī)組的同時運行中，機(jī)組不能根據(jù)負(fù)荷的輕重來自動增減臺數(shù)及控制其運行時間，導(dǎo)致了電能的大量浪費。采用合適的控制策略，可以自動控制機(jī)組的開啟臺數(shù)及啟停時間。采用定壓定溫的控制方法，可以有效減少水泵的運行耗能，并且在負(fù)荷輕的時候，適當(dāng)保留運行機(jī)組的數(shù)目，從而避免了上述電能的浪費。
兩臺螺桿式地源熱泵機(jī)組，機(jī)組的制熱工作參數(shù)如表1所示。
本控制系統(tǒng)主要通過三個方面來實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行：
(1)通過分別設(shè)定冬季和夏季的開機(jī)溫度值和關(guān)機(jī)溫度值，使得機(jī)組可以在負(fù)荷輕的時候減少運行臺數(shù)，并且關(guān)閉對應(yīng)冷卻水泵，有效減少電能的消耗。
(2)通過定溫差的方法，來控制變頻水泵的運行狀態(tài)，以降低水泵功耗。
(3)通過分區(qū)/分時的控制策略，滿足不同負(fù)荷區(qū)的分時的供熱/制冷需求。
2 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計
2.1 控制系統(tǒng)的硬件
根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)運行需要的輸出控制端有：兩臺機(jī)組和六臺水泵的啟停控制信號；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；共計開關(guān)量輸出十六個，模擬量輸出一路。
為了測得冷凍水側(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，冷凍水的供回水壓力檢測，共四路模擬量輸入；兩臺機(jī)組的運行及故障；六臺水泵的故障輸入。共計輸入開關(guān)量十個，模擬量輸入四路。模擬量的外部輸入輸出點見表2。
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，VF-8Z系列的變頻器一臺，AFPX-COM6型號的485通道，模擬量輸出通道DA2。觸摸屏選用MT6070i型號，通過專用的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485通信和兩臺機(jī)組相連，可以實時讀取機(jī)組內(nèi)部的各項參數(shù)。包括機(jī)組的運行狀態(tài)、機(jī)組故障和機(jī)組內(nèi)部的各項壓力及溫度值。
模擬量通過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)部存儲器中，通過485通信將數(shù)據(jù)送至PLC。
2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
主程序主要可以分為四個部分：程序初始化、模擬量輸入處理、模擬量輸出處理和主控程序。
控制系統(tǒng)分為手動運行模式和自動運行模式，手動運行模式主要為通過單獨的按鍵來獨立控制每個水泵和機(jī)組的啟停。自動運行模式的設(shè)計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個溫度值，通過比較當(dāng)前回水溫度和設(shè)定的溫度值來選擇開啟或者關(guān)閉機(jī)組的數(shù)量，用來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控制變頻器的運行，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，在手動運行模式下，可以在一定范圍內(nèi)手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出。在自動運行模式下，根據(jù)溫差來控制變頻器的輸出。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。
自動運行模式分為夏季運行模式和冬季運行模式。在冬季和夏季分別設(shè)定好四個溫度值：
TK1：冬季開機(jī)溫度1 TK1’：夏季開機(jī)溫度1
TK2：冬季開機(jī)溫度2 TK2’：夏季開機(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
在冬季運行模式下，四個溫度值其邏輯關(guān)系應(yīng)滿足：TK2<TK1<TG1<TG2。
在夏季運行模式下，四個溫度值其邏輯關(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，則需要把兩臺機(jī)組全部開啟；
若TK2<TH<TK1，此時若無機(jī)組運行，則需要開啟一臺機(jī)組；
若TK1<TH<TG1，此時不需要開啟或者關(guān)閉機(jī)組；
若TG1<TH<TG2，此時若兩臺機(jī)組都在運行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺機(jī)組；
若TG2<TH，則需要關(guān)閉所有正在運行的機(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，則需要把兩臺機(jī)組全部開啟；
若TK2’>TH>TK1’，此時若無機(jī)組運行，則需要開啟一臺機(jī)組；
若TK1’>TH>TG1’，此時不需要開啟或者關(guān)閉機(jī)組；
若TG1’>TH>TG2’，此時若兩臺機(jī)組都在運行狀態(tài)，則需要關(guān)閉一臺機(jī)組；
若TG2’>TH，則需要關(guān)閉所有正在運行的機(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)荷輕的時候關(guān)閉部分運行設(shè)備。在實際的運行中，考慮到機(jī)組的開關(guān)機(jī)次數(shù)對機(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)的自動運行模式流程圖如圖4所示。
另外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了對系統(tǒng)分時分段控制。在圖1中，冷凍水側(cè)電磁閥V1對應(yīng)的是宿舍的回路，電磁閥V2對應(yīng)的是教室的回路。在觸摸屏上可以分別設(shè)定兩段時間來控制兩個閥的自動開關(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。
開啟機(jī)組時，需要首先將機(jī)組對應(yīng)的冷凍側(cè)閥和冷卻側(cè)閥打開，同時還要打開對應(yīng)的開啟水源側(cè)水泵的兩個閥。待水泵和機(jī)組對應(yīng)的閥全部打開后，然后將對應(yīng)的冷凍水泵和冷卻水泵打開，最后開啟機(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)的運行狀況良好，節(jié)能效果明顯。本設(shè)計經(jīng)過適當(dāng)修改后可應(yīng)用于類似系統(tǒng)中，來控制多機(jī)組的運行，具有較高的使用價值和參考價值。
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