高速鐵路車站地源熱泵自控系統設計

李浩然，周文波，丁道祥，王偉，王瑞雪

（中國鐵路沈陽局集團有限公司科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013）

目前，由于地源熱泵是一種利用土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系統，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術，高速鐵路車站越來越多的選擇使用地源熱泵系統作為站房內部的空調裝置。但在使用的過程中，某些車站地源熱泵在使用的過程中暴露出自動化程度低，站房內空調溫差大，不能夠無人值守，能源利用率低，耗能較大等弊端。而通過在地源熱泵系統的室外地源換熱系統、地源熱泵主機系統以及室內末端系統設置模擬量采集裝置，采集到的數據傳輸到控制終端，利用自動控制原理對地源熱泵實行自動控制，通過無線網絡通訊將數據反饋到遠程服務器能夠實現地源熱泵遠程數據集控，建立“用數據說話、用數據決策、用數據管理”的科技型、創新型房產運營管理體系，建立地源熱泵遠程監控系統平臺，實時了解鐵路地源熱泵機房內和生產辦公區內設備工作情況。

1 地源熱泵自動控制系統結構

本系統采用可編程邏輯控制器及上位機上的SCADA系統，將現場地源熱泵機組及其他各設備的工作狀態信息和傳感器采集到的數據信息經過PLC處理后，統一集中到工業組態軟件開發的SCADA系統中，再利用SCADA系統實現地源熱泵系統無人值守的最優化設計，根據實際負荷，經過分析運算，調節熱泵機組的啟停和工作能級，并和太陽能系統及水蓄能系統配套運行。根據系統需求設計系統的硬件架構，采用分層分布的硬件結構，從下向上分為3級：現場級、監控級、管理級。現場級主要包括以PLC為核心控制器的控制柜、熱泵機組、循環泵、閥門、各類傳感器等；監控級主要包括實時數據服務器、歷史數據服務器、工程師站、硬盤錄像機、安全防護網關等；管理級主要包括管理終端設備（PC機）、手持管理設備、移動管理設備等。利用互聯網絡，實現地源熱泵房、段、路局數據大集中系統，并行成三級網絡管理，系統管理構成圖如圖1。

圖1 地源熱泵自控系統三級網絡架構

2 地源熱泵自動控制系統數據監測內容

在整個地源熱泵系統中，地源熱泵機房設備主要包括地源熱泵機組、地源循環泵、用戶循環泵、板式換熱器和軟水設備等。候車室設備主要包括中央空調機組、地板輻射供暖、盥洗室風機盤管機組等，生產辦公區包括風機盤管機組等。基于地源熱泵系統的組成，地源熱泵自控系統主要監測區域可分為埋管區域地溫監測、通風與空調系統監控、全系統輸入／輸出能量計量、全系統設備運行控制等。

2.1 埋管區域地溫監測

地埋管地源熱泵系統在運行過程中將一定將一定程度上改變換熱區的地溫場，地溫場的改變直接影響系統性能和換熱區的地質環境。因此通過設置埋管區域地溫監測，可及時反饋換熱區溫度變換情況，作為系統自動啟停的溫控參數之一，對達到系統最優性能和保護地質環境具有重要意義。

將整個埋管區域劃分成若干區域，在每個區域內選取2個具有代表性的點作為監測點。為了滿足監測需求，監測點應分為2類：一類是將溫度傳感器同豎直埋管一起固定下埋，對管井進行監測；另一類是設置單獨的溫度監測井，用其他載體固定溫度傳感器埋入井內。溫度傳感器的選型方面要保證傳感器和導線在高壓、偏堿性土質（及液體）環境下的長期穩定使用。溫度傳感器埋設完成后，通過多芯絕緣屏蔽導線連接進入控制終端箱，控制終端箱內部的可編程控制器具備通訊接口和開放通訊協議。在數據集控室設置1臺工控機，通過RS485通訊接口和通訊線纜與控制終端箱進行通訊連接，采集、存儲土壤溫度信號，供高速鐵路車站地源熱泵控制系統組態軟件進行相關數據存儲分析。

組態軟件收集土壤溫度并計算平均值，與設定的平均值比較。當實際平均溫度高于設定平均溫度設定值時，開啟冷卻塔、冷卻水泵、地源側冷水泵對土壤進行降溫，直至土壤達到常年正常溫度為止。

2.2 通風系統監控

通風空調機組的控制通過溫、濕度傳感器和氣壓控制開關，監測通風空調機組的運行狀態、故障報警狀態以及手動／自動運行狀態；監測空調送風溫度，新風機組與新風門的聯鎖控制程序：空調機組開啟時，自動打開新風門，停機時自動關閉新風門。

通過室內溫、濕度傳感器監測室內的溫度和濕度，當溫度達到設定溫度時，電動兩通閥自動關閉，切斷冷凍水的供應，從而起到控制風機盤管的啟停作用。隨著室內風機盤管的啟停，供水主管上裝有水壓差傳感器的壓差控制開關監測當前水壓差，然后將信號傳輸至控制器，控制器經過PID運算控制安裝在分、集水器旁路上的壓差調節閥的開度，維持供、回水壓差恒定于設定值。

2.3 全系統輸入／輸出能量計量

自控系統通過串口通訊線采集地源熱泵機房內控制柜智能數字電度表電量數據，用來計量全部空調機組和循環水泵的耗電量。各用電單元配電柜計量各風機盤管和新風機組的耗電量。通過電能計量統計系統耗能；電能計量儀表設置應靠近用電設備，盡量集中計量，以保證計量精度、計量數據傳輸方便。

系統能量輸出由空調熱水系統、地源循環水系統、夏季板換水系統和用戶側空調水系統4個系統組成。通過熱能表對進水管和出水管的溫度采集，并結合管路流量計檢測的管內流量進行計算，得最后出每個系統的能量輸出。

地源熱泵系統通過采集空調熱水系統、地源循環水系統、夏季板換水系統、用戶側空調水系統的能量輸入和輸出，計算系統的總能量以及通過智能電度表計量主機、地源側水泵、用戶側水泵、冷卻塔側水泵以及末端風機盤管的耗電量。最后通過能量的輸入／輸出和系統總耗電量計算機房能效比和車站建筑的能效比。

2.4 監測點數量統計

綜上所述，地緣熱泵系統監測的數據點設計數量如下：

（1）空調側3臺循環泵的電壓、電流、運行狀態、單泵電量、遠程控制泵的開停。

（2）地源側3臺循環泵的電壓、電流、運行狀態、單泵電量、遠程控制泵的開停。

（3）空調側循環溫度檢測1處，地源側循環溫度檢測1處。

（4）2組地源熱泵機組的參數讀取（主要進口壓力、出口壓力、進口溫度、出口溫度、報警等）。

（5）補水泵水量和補水壓力，需要加遠傳水表和水壓傳感器。

（6）地源側集水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（7）空調側集水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（8）換熱板1次側進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，換熱板2次側進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（9）中央空調的溫度采集，1側設3個溫度采集點。

3 上位機程序設計

采用組態軟件開發數據采集與監視控制系統（SCADA系統），監控系統根據熱泵機房設備的實際分布情況及熱泵系統運行的工藝流程設計系統運行流程效果圖，將采集的參數形象、動態的展示，并以圖形按鈕、樹形菜單等方式為用戶提供操作接口，以實現設備控制、限值設定、參數調節以及各類信號報警等各項功能，提高系統的易用性和交互性。地源熱泵監控系統功能模塊如圖2所示。

圖2 地源熱泵監控系統功能模塊

上位機程序主要功能如下：

（1）用戶管理：可以定義權限用戶，進行多級用戶的管理，可以查詢的和可以控制設備的用戶進行嚴格區分。

（2）設備管理：建立數據庫，對地源熱泵的所有設備的使用年限、使用注意事項、使用報廢年限、設備常用基本參數說明等設備信息進行管理，同時可以對遠程終端其他電腦和手機上線數目進行管理。遠端最少允許5臺手機，2臺電腦進行操作。可以對遠程登錄的手機。

（3）系統日志：詳細記錄管理的設備的工作狀態日志，可以3min或者5min進行一次采集。同時對登陸人員及人員的操作進行記錄，出現問題時可以找到責任人。當系統設備出現故障時，要記錄系統故障時間，內容等基本信息。

（4）控制模式轉換：設置系統的運行模式為全自動運行或者手動點動啟停設備及各個子系統。自動模式下可根據用戶側供水溫度等條件完成熱泵機組的啟停、機組的自動加載、減載、設備輪換、根據室外環境溫度自動設定主機出水溫度，平衡室外環境溫度變化造成的室內溫度波動，達到節能、舒適的目的。

（5）控制3個系統協調運行：電價低谷時段控制熱泵機組為蓄能池蓄熱（冷），電價高峰期蓄能池放能進行制熱（冷）；可實現根據設定的時間和溫度條件，控制太陽能系統為淋浴水箱供熱、為蓄能池蓄熱、為地源側蓄熱3種工作模式按照優先級從高到低的順序運行。

（6）系統還具有通過數據曲線、數據報表進行數據分析功能；實時監測關鍵參數及設備狀態進行故障檢測，實現聲光報警和短信提示功能；與視頻監控系統結合將熱泵機房主要設備的監控畫面集成到上位機界面顯示；用戶分級管理功能，為不同級別的用戶分配不同的操作權限，保證系統安全；提供Web訪問功能，支持通過互聯網遠程訪問，便于管理人員遠程辦公。

（7）數據報表：生成滿足需要的日報月報和年報，要按水量、電量、壓力等內容進行分析計算，生成報表。根據用水量、用電量、壓力情況、溫度情況進行分析統計，生成曲線，統計高峰時間段等功能。

4 結語

通過建立地源熱泵遠程監控系統，將所有采集到的信息和遠程操作都集中到生產指揮中心，交由專人負責監控和操作。以實現由現場有人值守到現場無人值守、定時巡檢的工作模式的改變。實現監測控制由固定端向移動端的進步。現場車間設立監控管理地點，可以在被授權的情況下對地源熱泵設備運行情況進行管理和控制。