集散控制方式下的水源熱泵節(jié)能技術(shù)分析

文/曹志華

當(dāng)前，能源與環(huán)保問題日益突出，國家發(fā)改委已將節(jié)能減排列為今后一段時期的工作重心。在目前節(jié)能技術(shù)中，以其高效、環(huán)保和節(jié)能等諸多優(yōu)勢，在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)水源熱泵技術(shù)的發(fā)展，目前已初步具備了一定的規(guī)模，但在實際應(yīng)用中還出現(xiàn)了不少問題。為了進(jìn)一步加強(qiáng)其節(jié)能控制效果，需要改善節(jié)能技術(shù)。本文首先簡要概述水源熱泵系統(tǒng)，再分析集散控制方式下的水源熱泵節(jié)能技術(shù)，以期實現(xiàn)更加高效的水源熱泵節(jié)能控制目標(biāo)。

水源熱泵技術(shù)是一種以地下水為冷、熱源，在地下冷、熱介質(zhì)間進(jìn)行熱傳遞，從而達(dá)到能源轉(zhuǎn)化的有效設(shè)備。該技術(shù)不需要使用煤炭和石油等燃料，也不會對環(huán)境造成任何影響，并且能夠?qū)⒌蜔崃哭D(zhuǎn)化為高熱量。在目前的能源與環(huán)保狀況下，水源熱泵技術(shù)得到了廣泛推廣與使用。本文對水源熱泵系統(tǒng)的研究具有重要意義。為此需要對其進(jìn)行技術(shù)改造，以進(jìn)一步提升其工作效能，促進(jìn)其更大范圍的推廣使用。

水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵系統(tǒng)主要由以下六大部分構(gòu)成。第一部分是 水源熱泵機(jī)組，作為水源熱泵系統(tǒng)中的冷熱源，與各房間的循環(huán)水在熱泵機(jī)組進(jìn)行內(nèi)交換。第二部分是制冷劑循環(huán)，由四個主要部分構(gòu)成，分別是壓縮機(jī)，蒸發(fā)器，冷凝器，膨脹閥。壓縮機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心部分，起著導(dǎo)熱作用，可以將低壓的蒸汽轉(zhuǎn)化為高壓的蒸汽，從而減少蒸汽體積。氣壓上升。

膨脹閥門又稱為節(jié)流閥。作為水源熱泵機(jī)組的主要控制元件，直接影響機(jī)組的蒸發(fā)、凝結(jié)壓強(qiáng)。膨脹閥用于對液體制冷劑進(jìn)行減壓，使得制冷劑在離開冷凝器后進(jìn)行節(jié)流減壓，再在蒸發(fā)器中進(jìn)行膨脹，變?yōu)檎羝鼰幔潜３掷淠髦懈邏骸⒄舭l(fā)器中低壓的關(guān)鍵元件。蒸發(fā)器是一種吸熱裝置，利用該裝置使制冷劑從被冷凍物品中吸取熱能，從而達(dá)到冷凍效果。冷凝器是一種釋放熱量的裝置，將從蒸發(fā)過程中所吸收的熱和與壓縮機(jī)做功所轉(zhuǎn)換的熱量一起轉(zhuǎn)移到制冷劑帶走。第三部分是蒸發(fā)器端配水裝置，天然的水通過循環(huán)泵輸送到熱泵的蒸發(fā)設(shè)備，在蒸發(fā)設(shè)備中與低溫、低氣壓的液體制冷劑進(jìn)行換熱，從而達(dá)到降溫的目的。第四部分是冷卻塔側(cè)水，將循環(huán)水輸送至熱泵中的冷凝設(shè)備，與其中的高溫、高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)行換熱，從而提高設(shè)備的溫升。第五部分是風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)機(jī)盤管是水源熱泵系統(tǒng)的終端設(shè)備，利用風(fēng)力，持續(xù)地將室內(nèi)的空氣進(jìn)行循環(huán)，進(jìn)行制冷或加熱，維持環(huán)境中一定的相對濕度。第六部分是水泵，進(jìn)水泵和回灌泵也被稱為上水泵和下水泵，它們分別被用來抽取地下水和將使用過的地下水進(jìn)行回灌，使地下水產(chǎn)生一個循環(huán)。

在取水井和回港井中分別設(shè)置進(jìn)水泵和回灌泵，用過的地下水一定要回灌，不然會造成地面下沉，并且在回灌之前應(yīng)對回灌水進(jìn)行監(jiān)控或處理，保證不會對地下水造成污染。循環(huán)式水泵將使用者循環(huán)水送到換熱器中，為使用者持續(xù)輸送或帶走熱能。

應(yīng)用水源特泵系統(tǒng)，具備以下三個方面優(yōu)勢。第一個方面是以水為冷熱源，在溫度較高期間進(jìn)行制冷，將地下水源中的較低溫度熱能傳送至室內(nèi)，確保空調(diào)低溫運轉(zhuǎn)。在冬天供熱時，利用地下水源中的較高溫度熱能，向室內(nèi)輸送熱量，保證室內(nèi)空氣溫度質(zhì)量。第二個方面是水源熱泵機(jī)組在使用過程中，沒有機(jī)械振動部分，沒有噪聲，可大幅降低建筑廢棄物的排放量，能夠起到保護(hù)資源、節(jié)約能量的效果。第三部分是占用空間少，無需安裝大量的冷凝器和制冷室等設(shè)施，能夠節(jié)省安裝施工成本，提高企業(yè)工程建設(shè)效益。

水源熱泵集散控制節(jié)能設(shè)計

原有的可編程控制器僅能實現(xiàn)邏輯、時序控制等功能，難以實現(xiàn)數(shù)學(xué)計算，限制了其應(yīng)用范圍。最近幾年P(guān)LC 技術(shù)水準(zhǔn)不斷提升，很多PLC 系統(tǒng)都支持?jǐn)?shù)學(xué)運算，有的PIC 還支持PID 路反饋自動調(diào)節(jié)，提供PID 算法，為采用更好的控制算法提供穩(wěn)定基礎(chǔ)。從系統(tǒng)的真實特征出發(fā)，對其進(jìn)行分析，并給出一個合理的控制方案以及建立一個數(shù)學(xué)模型，在控制過程中隨著現(xiàn)實條件的改變，對控制參考點進(jìn)行微調(diào)，然后通過一個執(zhí)行器來實現(xiàn)對其的準(zhǔn)確控制。水源熱泵集散控制節(jié)能系統(tǒng)的控制軟件充分利用上述技術(shù)，使其達(dá)到了較好的控制效果。

單元操作數(shù)量控制

在組件單元的控制中，組件的操作數(shù)量是組件單元的重要組成部分。本系統(tǒng)所采取的方法為水源熱泵機(jī)組冷媒水出口溫控，主站依據(jù)機(jī)組冷媒水出口合流的溫度，確定機(jī)組的操作數(shù)量。至于出口的合流溫度，每個組件的水量都是一樣的，因此可以通過取平均數(shù)值來計算。

單體組件能量調(diào)整

基于單元操作數(shù)量控制，出水溫度的調(diào)控一般僅能實現(xiàn)一攝氏度以上，有的時候存在二攝氏度到三攝氏度的變化，因此，要實現(xiàn)對各單元的精準(zhǔn)調(diào)控，就必須對各單元的能耗做出相應(yīng)的調(diào)整。使用螺桿壓縮機(jī)，其能源調(diào)整方法是對滑閥沖程進(jìn)行調(diào)整，然后再使用上載閥和卸載閥，使用油壓來對滑閥的位置進(jìn)行調(diào)整，以此來調(diào)整機(jī)組能源。只要通過調(diào)節(jié)加負(fù)荷和卸負(fù)荷的閥門，就可以對單個組件的出水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對整個裝置的出口和流溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在單元開始之后，所有模塊上的空調(diào)水電磁閥都會被開啟，而沒有啟動模塊的空調(diào)水出口溫度與進(jìn)口溫度一樣。所以在明確入口溫度、溫度設(shè)定值、實際運行組件臺數(shù)、總組件數(shù)的情況下，并假定每個模塊的水流量都是一樣的，能夠計算出每個運行的模塊的出口溫度設(shè)定值，然后各模塊就能夠根據(jù)出口溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，從而能夠?qū)狭鳒囟冗M(jìn)行準(zhǔn)確的控制，整個控制精度在一攝氏度之內(nèi)。

地下水變頻調(diào)節(jié)

在確保地下水的流量和流速符合機(jī)組的需求的前提下，按照機(jī)組的冷卻水出口溫度對變頻設(shè)備頻率進(jìn)行調(diào)整，從而將水量控制在僅能滿足機(jī)組的需求的范圍內(nèi)。自動化控制程序中，設(shè)定PID 反饋自動調(diào)節(jié)回路，采用PID 指針來進(jìn)行流量的自動調(diào)節(jié)，在實際工作中，地下水的溫度通常為十五攝氏度，因此，機(jī)組的冷卻水進(jìn)口溫度也為十五攝氏度。

基于該溫度，將冷卻用的冷卻出口溫度設(shè)置成二十二攝氏度，將制熱用的冷卻水出口溫度設(shè)置成九攝氏度。在外部負(fù)載很小的時候，組件投入的數(shù)目很小，冷卻水出口的溫度也會隨之改變，此時，可以通過減少地下水泵的頻率來減少水流量，從而實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)約的目的。

主從式架構(gòu)、通信

主、從站采用一套比較獨立的控制方式，無論哪個從站發(fā)生了什么故障，都不會對其他主站的運行造成影響。在主機(jī)發(fā)生故障的情況下，從機(jī)也可以人工操作。在主從站之間利用COMPOBUS/S 協(xié)議實現(xiàn)信息共享。主從兩個站之間通信的主要內(nèi)容包含以下兩個方面。

第一個方面是從主站到從站：冷凍、制熱信號，啟、停信號，出口溫度設(shè)定值，排氣溫度設(shè)定值，過載電流值，冷水低溫值等。第二個方面是從從站到主站：機(jī)組運行信號，人工、自動信號，水出口溫度，排氣溫度，壓縮機(jī)電流，故障警報等。在通信過程中需要傳送大量的信息，為了提升通信的效率，使用特殊的代碼技術(shù)，把各種模擬和開關(guān)的數(shù)據(jù)都按某種規(guī)則進(jìn)行代碼化，這樣只需要很小的一個字節(jié)即可完成整個通信過程，不僅可以提高通信的效率，而且還能確保通信的可靠性。另外，在主站的COM1CPU 中，還設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)的RS422 接口，通過通信將整個冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)遠(yuǎn)傳給上位機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測組態(tài)軟件相結(jié)合，可以對單元進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，達(dá)到較大范圍的網(wǎng)絡(luò)控制。

集散控制方式下的水源熱泵節(jié)能優(yōu)化與技術(shù)

優(yōu)化

根據(jù)水源熱泵機(jī)組的構(gòu)成，可分為三大類，水源熱泵機(jī)組、熱泵循環(huán)水泵、控制系統(tǒng)。在水源熱泵機(jī)組中的主要構(gòu)成是冷卻塔水流量調(diào)節(jié)、水泵運轉(zhuǎn)功率調(diào)節(jié)。利用外部天氣條件，對冷卻塔中的水量進(jìn)行預(yù)測，并對其進(jìn)行調(diào)速，從而達(dá)到對冷卻塔中水量的控制。同時利用該系統(tǒng)的內(nèi)反饋來調(diào)節(jié)水泵的工作頻率。當(dāng)外部天氣條件發(fā)生變化時，應(yīng)及時調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，以降低能耗。

由此可見，在水源熱泵機(jī)組中加裝變頻調(diào)速設(shè)備，利用變頻調(diào)速設(shè)備調(diào)整冷卻塔水的水量，使得冷卻塔水泵的工作頻率與外界氣候條件一致。該方法既能確保冷水塔水的恒定，又能使系統(tǒng)在不同天氣條件下自動調(diào)節(jié)水泵工作頻率，實現(xiàn)節(jié)能。具體操作是利用變頻調(diào)速設(shè)備與可編程控制器構(gòu)成控制單元，其中，冷卻水泵、冷水泵均采用溫度自動閉環(huán)調(diào)節(jié)，也就是利用溫度傳感器對冷卻水、冷水的水溫進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)化成電信號之后輸送至自動化控制系統(tǒng)，通過與設(shè)置值相對比，通過PID 計算，確定變頻調(diào)速設(shè)備的輸出頻率，實現(xiàn)對冷水和冷卻水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

在集散控制方式下的水源熱泵系統(tǒng)中采用自動化的方法，可以發(fā)揮其自動化的優(yōu)勢特點。第一個方面是中央空調(diào)設(shè)備采用自控模式，可大幅度降低設(shè)備的維護(hù)成本。第二個方面是將自控模式應(yīng)用于中央空調(diào)，可發(fā)揮其強(qiáng)大的自控能力，提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)效能。

冷水閉環(huán)控制：在確保終端裝置冷水流量供應(yīng)的前提下，選擇一個冷水泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)置為下限頻率并進(jìn)行鎖止，將馬達(dá)工頻設(shè)置為上限頻率。在冷卻水系統(tǒng)中，較低溫度冷水溫度與蒸發(fā)器操作參數(shù)有關(guān)，只要對較高溫度冷水回流水進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以對溫差進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用一個溫度傳感設(shè)備測定水溫，然后與自動化控制系統(tǒng)、變頻設(shè)備、冷水泵形成閉環(huán)，對冷水回水水溫控制在五攝氏度到七攝氏度的情況下，該系統(tǒng)會對變頻設(shè)備的輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得冷水泵旋轉(zhuǎn)速度隨著負(fù)荷的改變而改變。此外，在第一次啟動的時候，電機(jī)以工頻的速度運轉(zhuǎn)，可以設(shè)置好變頻設(shè)備的參數(shù)，讓冷水系統(tǒng)得到充分的交換，之后就可以按照冷回水的溫度來進(jìn)行頻率的無級調(diào)節(jié)。

冷卻水閉環(huán)控制：冷卻水采用地下水作為熱水循環(huán)用水，以達(dá)到高效節(jié)約能源的目的。目前大多數(shù)的控制方法都是首先按照流動需求來決定一個冷泵變頻器運行的最小運行頻率，把它設(shè)置成下限并鎖住，把電機(jī)的工頻設(shè)置成上限。在冷卻水系統(tǒng)中，以冷凝設(shè)備兩邊冷卻水的溫度為控制參數(shù)，利用溫度傳感器、自動化控制系統(tǒng)、變頻設(shè)備、冷卻水泵形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得冷卻水泵的旋轉(zhuǎn)速度隨著熱負(fù)荷的改變而改變，冷卻水之間的溫差始終維持在一個不變的數(shù)值，這樣就可以在保證系統(tǒng)冷卻需求的同時，實現(xiàn)節(jié)電的目標(biāo)。

技術(shù)

集散控制：集散控制模型是計算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)以及通訊技術(shù)有機(jī)地融合在一起而形成的一種新的控制模型。在集散控制方式下，將分布式的多臺電腦組合在一起，用總線將各臺電腦連接起來，以達(dá)到對分布式系統(tǒng)的集中控制。該集散控制體系由中央控制器、中央管理單元、現(xiàn)場設(shè)備三部分組成，中央控制器能夠依據(jù)各設(shè)備的工作狀況，對各設(shè)備進(jìn)行實時的控制。中央管理單元作用是對各個分散的裝置進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控與管理。現(xiàn)場設(shè)備是子系統(tǒng)，執(zhí)行分散系統(tǒng)要求。

循環(huán)水控：在確保終端裝置供水正常的前提下。選擇一種循環(huán)泵變頻調(diào)速裝置工作的最低工作頻率為泵運轉(zhuǎn)的最低工作頻率，并將其鎖住。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)整電機(jī)的工作頻率，使其達(dá)到最大值，調(diào)節(jié)變頻設(shè)備頻率，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)流量的控制。另一方面，循環(huán)水初始溫度與蒸發(fā)和冷凝器的工作條件有關(guān)，通過對循環(huán)水回用水溫的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫差的有效控制。為保證循環(huán)水出水和回水之間的溫差在一定的范圍之內(nèi)，在循環(huán)水入口使用溫度傳感器進(jìn)行檢測，并與數(shù)字控制設(shè)備、變頻設(shè)備、泵站組成一套完整的系統(tǒng)，以保證循環(huán)水出水和回水之間的溫差在一定的范圍之內(nèi)。隨著負(fù)載的改變，回水溫度也隨之改變，控制系統(tǒng)隨著溫差的改變來調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整系循環(huán)水的流量，直至達(dá)到新負(fù)載對周期水量及溫度變化的需求為止。

井水控制：水源熱泵以恒定的地下恒溫水源作為天然的冷熱源，當(dāng)負(fù)載發(fā)生改變時，冷凝揮發(fā)的熱能也隨之改變。以井水的溫度為控制參數(shù)，保持溫差不變，利用溫度傳感器、數(shù)字控制設(shè)備、變頻設(shè)備、井水泵形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對井水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整井水流量，使其能夠跟隨熱負(fù)荷變化。在保證負(fù)載要求的情況下，該系統(tǒng)能使泵不處于最大負(fù)載狀態(tài)，從而實現(xiàn)節(jié)能。管理級的中心計算機(jī)和周邊設(shè)備，可以利用接收到的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場控制過程進(jìn)行集中監(jiān)視，并進(jìn)行數(shù)據(jù)集中處理、管理。同時管理人員可以利用中心計算機(jī)對現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行預(yù)定進(jìn)度設(shè)置，查詢設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)，制作打印報表，并對報警信息進(jìn)行及時處理，在需要的時候，還可以利用中心計算機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動、停止控制。

最近幾年，國內(nèi)的能源緊缺問題變得更加嚴(yán)峻，人們對節(jié)能環(huán)保的認(rèn)識也變得更加強(qiáng)烈，人們也開始更加關(guān)注建筑節(jié)能技術(shù)的研究和應(yīng)用。在集散控制方式下的水源熱泵節(jié)能技術(shù)，具備性能優(yōu)良、控制方便、安全可靠、智能節(jié)能、應(yīng)用廣泛的特性，要持續(xù)加強(qiáng)對新的節(jié)能技術(shù)研發(fā)、推廣，以便能夠持續(xù)發(fā)揮出更好的節(jié)能環(huán)保作用。