新型節能空調控制系統的研制

李長啟，張天開，劉德生，李金鳳

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266033)

地源熱泵空調系統是一種在技術上和經濟上都具有較大優勢的解決供暖和空調的替代方式。在實際應用中，特別是多套機組和水泵運行時，為了進一步提高節能效果，應該盡可能減少水泵和機組的臺數及運行時間，使系統的運行更加節能。同時，也應該解決單機組、水泵長時運行而磨損比較大的問題，并且實現無人值守。本文介紹基于PLC來實現對雙機組運行的控制。

1 系統運行過程

以某學校的地源熱泵系統為例，總建筑面積為18 000 m2，系統共有六臺水泵，其中兩臺作為備用水泵，兩套螺桿式水水空調機組?？刂葡到y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。

在普通的機組運行中，單機組可以根據負荷的大小自動調節輸入功率。但是在雙機組或者更多機組的同時運行中，機組不能根據負荷的輕重來自動增減臺數及控制其運行時間，導致了電能的大量浪費。采用合適的控制策略，可以自動控制機組的開啟臺數及啟停時間。采用定壓定溫的控制方法，可以有效減少水泵的運行耗能，并且在負荷輕的時候，適當保留運行機組的數目，從而避免了上述電能的浪費。

圖1 冬季系統運行流程

兩臺螺桿式地源熱泵機組，機組的制熱工作參數如表1所示。

本控制系統主要通過三個方面來實現系統的節能運行：

(1)通過分別設定冬季和夏季的開機溫度值和關機溫度值，使得機組可以在負荷輕的時候減少運行臺數，并且關閉對應冷卻水泵，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，以降低水泵功耗。

(3)通過分區/分時的控制策略，滿足不同負荷區的分時的供熱/制冷需求。

表1 熱泵機組制熱工作參數

2 控制系統的整體設計

2.1 控制系統的硬件

根據系統的需求分析，系統運行需要的輸出控制端有：兩臺機組和六臺水泵的啟?？刂菩盘?；兩路負荷區域的電磁閥和機組的冷卻水閥及冷凍水閥；變頻器模擬量輸出一個；共計開關量輸出十六個，模擬量輸出一路。

為了測得冷凍水側的溫差和壓力，系統需要的輸入端有：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；兩臺機組的運行及故障；六臺水泵的故障輸入。共計輸入開關量十個，模擬量輸入四路。模擬量的外部輸入輸出點見表2。

表2 模擬量輸入輸出

根據以上輸入輸出量和系統要求，選用FP系列產品組成控制系統。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。

本系統的組成如圖2所示，首先在硬件上滿足了系統的要求。PLC通過485通信和兩臺機組相連，可以實時讀取機組內部的各項參數。包括機組的運行狀態、機組故障和機組內部的各項壓力及溫度值。

模擬量通過A/D輸入模塊將數據傳送至PLC內部。A/D輸入模塊采用的是以51單片機為核心的電路板，將模擬量數據存至內部存儲器中，通過485通信將數據送至 PLC。

2.2 控制系統的軟件設計

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。

圖2 PLC控制系統組成圖

控制系統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組的啟停。自動運行模式的設計是以冷凍水回水溫度值為控制目標，在夏季和冬季分別設定4個溫度值，通過比較當前回水溫度和設定的溫度值來選擇開啟或者關閉機組的數量，用來控制回水溫度在一定的范圍之內，達到用戶的要求。

模擬量輸出部分主要用來控制變頻器的運行，變頻器的輸出根據冷凍供回水的設定溫差而變化。

變頻器反饋控制原理如圖3所示，在手動運行模式下，可以在一定范圍內手動調節變頻器的輸出。在自動運行模式下，根據溫差來控制變頻器的輸出。若溫差大于設定值，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定的溫差值。

圖3 變頻器反饋控制圖

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定好四個溫度值：

TK1：冬季開機溫度1 TK1’：夏季開機溫度 1

TK2：冬季開機溫度2 TK2’：夏季開機溫度 2

TG1：冬季關機溫度1 TG1’：夏季關機溫度 1

TG2：冬季關機溫度2 TG2’：夏季關機溫度 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系應滿足：TK2＜TK1＜TG1＜TG2。

在夏季運行模式下，四個溫度值其邏輯關系應滿足：TK2’＞TK1’＞TG1’＞TG2’。

冬季的系統判斷的邏輯思路為：

若TH＜TK2，表明負荷重，則需要把兩臺機組全部開啟；

若 TK2＜TH＜TK1，此時若無機組運行，則需要開啟一臺機組；

若TK1＜TH＜TG1，此時不需要開啟或者關閉機組；

若TG1＜TH＜TG2，此時若兩臺機組都在運行狀態，則需要關閉一臺機組；

若TG2＜TH，則需要關閉所有正在運行的機組。

夏季的系統判斷的邏輯思路為：

若TH’＞TK2’，表明負荷重，則需要把兩臺機組全部開啟；

若 TK2’＞TH＞TK1’，此時若無機組運行，則需要開啟一臺機組；

若 TK1’＞TH＞TG1’，此時不需要開啟或者關閉機組；

若 TG1’＞TH＞TG2’，此時若兩臺機組都在運行狀態，則需要關閉一臺機組；

若TG2’＞TH，則需要關閉所有正在運行的機組。

采用此方法首先可以把冷凍水回水溫度控制在設定好的溫度范圍之內，也可以在負荷輕的時候關閉部分運行設備。在實際的運行中，考慮到機組的開關機次數對機組產生的磨損，在冬季，可以將設定值調得高一些；在夏季，可以將設定值調得低一些。系統的自動運行模式流程圖如圖4所示。

另外，本系統還實現了對系統分時分段控制。在圖1中，冷凍水側電磁閥V1對應的是宿舍的回路，電磁閥V2對應的是教室的回路。在觸摸屏上可以分別設定兩段時間來控制兩個閥的自動開關。白天關閉宿舍的冷凍水回路，夜晚關閉教室的冷凍水回路。避免了能量浪費。

開啟機組時，需要首先將機組對應的冷凍側閥和冷卻側閥打開，同時還要打開對應的開啟水源側水泵的兩個閥。待水泵和機組對應的閥全部打開后，然后將對應的冷凍水泵和冷卻水泵打開，最后開啟機組。

目前，基于PLC、觸摸屏和變頻器的的控制系統已經在熱泵空調系統中得到了廣泛應用。本系統的運行狀況良好，節能效果明顯。本設計經過適當修改后可應用于類似系統中，來控制多機組的運行，具有較高的使用價值和參考價值。

圖4 自動運行流程圖

[1]GB50366-2005地源熱泵系統工程技術規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]FP-X C38AT操作說明書_0728.2005.

[3]胡曉波，程花蕊，彭曉楠.基于PLC的水源熱泵節能控制系統[J].自動化博覽，2008(10)：80-82.

[4]吳學慧，張承虎，趙明明，等.Experimental study on viscosity characteristic of sewage in urban untreated sewage source heat pump system.哈爾濱工業大學學報：英文版.2010(1)：82-84.