學生宿舍空氣源熱泵熱水系統的智能控制設計

溫金保

摘 要：學生宿舍熱水需求量大，熱水系統設備復雜，為實現熱水系統的智能、節能運行，設計了熱水系統的智能控制系統、配電系統，分析了單臺空氣源熱泵的智能控制邏輯和熱水系統的智能控制邏輯。同時，在闡明熱水用量預測必要性的基礎上，提出了熱水用量預測方案。

關鍵詞：空氣源熱泵;熱水系統;智能控制;熱水用量預測

0 引言

與燃煤、燃氣、太陽能等傳統的熱水系統相比，空氣源熱泵熱水系統不受燃料供應因素影響，受夜晚、陰天、下雨及下雪等惡劣天氣的影響也較小;空氣源熱泵熱水系統可實現一年四季、全天24 h安全運行;傳統的熱水系統制熱效率均小于1，而空氣源熱泵熱水系統制熱效率可達到3～5[1]。王宇[2]對應用于寒冷地區、夏熱冬冷及夏熱冬暖地區的空氣源熱泵進行了性能測試和運行情況評價，認為空氣源熱泵在夏熱冬暖地區最具適用性。

空氣源熱泵現已成為夏熱冬暖地區酒店、公寓、學生宿舍等普遍采用的加熱設備，單臺空氣源熱泵有嵌入式的控制系統，可以智能運行，比如設定出水溫度、加熱時間等，但學生宿舍人數較多，需要多臺機聯機運行，因此多臺空氣源熱泵的熱水系統智能控制是需要研究的課題。

1 熱水系統設備

某學生宿舍熱水系統采用空氣源熱泵供應熱水，按每人每天60 L熱水需求設計。項目主要設備有：保溫水箱1個;空氣源熱泵8臺;回水電動電磁閥3臺;進冷水（補水）電動閥1臺;熱泵循環加熱泵2臺（一備一用）;加壓供水泵2臺（一備一用）;定時供水電動閥1臺。設備布置圖如圖1所示。通常酒店的熱水系統設置兩個水箱，一個水箱用于循環加熱，另一個水箱用于供應熱水;而學生使用熱水時間很集中且用水量大，因此學生宿舍熱水系統一般設置一個水箱，在非供應熱水時間將水箱中的水加熱。

2 控制系統總體設計

熱水控制系統由管理軟件、組態軟件、PLC（也可使用單片機）、熱水表、傳感器、繼電器、接觸器等組成。控制系統總圖如圖2所示，配電系統圖如圖3所示，部分控制回路如圖4所示。

管理軟件包括用戶信息管理模塊、熱水使用信息管理模塊、繳費管理模塊等，主要功能有用戶注冊和注銷，存儲和查詢熱水使用記錄，存儲和查詢繳費記錄等。每間宿舍裝有智能熱水表，熱水表與管理軟件通信，學生將感應式熱水卡放在熱水表上，即可使用熱水。管理系統接收熱水使用數據和扣費數據。熱水管理軟件和熱水表已經有較成熟的通用產品。

熱水系統的智能運行主要由組態軟件和PLC來實現。組態軟件的主要功能有：可以與PLC通信，讀寫PLC的各種信號，對接收的數據進行邏輯運算和數字運算等處理，將運算結果傳回PLC，通過PLC控制現場設備的運行;可以將PLC傳回的實時信息和經組態軟件處理過的信息傳給熱水管理系統，也可以接收熱水管理系統的管理數據，根據數據信息控制現場設備的運行;組態軟件可以用動畫、圖表等形式呈現熱水設備的運行狀況，可以將熱水系統的緊急工況（如報警等）通過軟件界面、短信通知管理員，使管理人員可以及時處理相關問題;可以存儲運行數據、故障數據、管理人參數更改記錄等。

3 單臺空氣源熱泵的智能控制

空氣源熱泵設置有控制系統，熱泵的進水管路沒水時自動停機，進入缺水保護狀態;當監控到環境溫度和熱泵交換器溫度達到某一閾值時，熱泵可自動除霜;可以設定熱泵工作運行時間;可以設定目標水溫，即水箱中的水需要達到的溫度。在有多臺熱泵的熱水系統中，每臺熱泵都連接水箱中的溫度傳感器，對溫度傳感器采集的溫度與熱泵中設定的目標溫度進行比較;如果小于目標溫度，則發送信號驅動熱泵循環泵，水箱中的水流入熱泵加熱，如果等于目標溫度，則不發送信號，熱泵循環泵不運行。單臺熱泵智能控制原理圖如圖5所示。

4 熱水系統的智能控制

學校采用定時供應熱水的方式，每天20：00—23：00供應熱水。學生宿舍人數多，使用熱水時間集中，因此在熱水供應時間之前，水箱已經按估計的用水量加好水，在熱水供應過程中，水箱不補冷水。

（1）水箱補水。在組態軟件中設置非供水時間的水箱水位。水箱中裝有水位傳感器，水位信號經PLC傳給組態軟件。當水箱水位小于設定值時，組態軟件發出指令，驅動補水電動閥工作，水箱補水;當水箱水位等于設定水位時，補水電動閥停止工作。

（2）熱水循環加熱。水箱中設有多個溫度傳感器，每臺熱泵與溫度傳感器連接，在熱泵控制系統中設置目標水溫（即供應熱水的水溫），當水箱中的水溫低于目標溫度時，熱泵發送信號驅動循環泵工作，水箱中的水進入熱泵繼續加熱，當水箱中的水溫等于目標溫度時，循環泵停止工作，熱泵停止工作，進入缺水保護狀態。

（3）熱水供應。在組態軟件中設定供水時間，有權限的管理人員可隨時更改供水時間。水箱設有溫度傳感器，溫度信號經PLC傳給組態軟件，并在組態軟件中顯示。到設定的熱水供應開始時間，組態軟件發送指令，熱水供應電動閥啟動，開始供應熱水。在熱水供應電動閥前設有壓力傳感器和增壓泵，增壓泵可接收壓力傳感器信號，當供水壓力低于設定值時，增壓泵啟動。

（4）回水。共設有3條回水管道，回水管上設置回水電磁閥和溫度傳感器，回水管溫度信號經PLC傳給組態軟件。當回水管道溫度低于設定值時，組態軟件發出指令，回水電磁閥啟動，回水管中的熱水進入水箱，供水閥啟動，水箱中的熱水進入熱水供應管道;當回水管中的水溫等于設定值時，回水電磁閥關閉。

5 熱水用量預測

學生宿舍使用熱水的時間很集中，為保證學生熱水供應，通常白天熱泵運行，在供應熱水時間到來之前已經把水加熱好。水箱有效容積即熱水供應量，是按規劃入住學生數的最大用水量設計的（按規范，每人每天的熱水用量為40～80 L，某學生宿舍按每人每天60 L設計）。熱泵設備的數量按每天的最大制熱需求配置。但不同的學生群體在不同的季節、不同的氣溫時熱水用量差異較大。