基于PLC的高效多源空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

王帥,張?zhí)扉_,關(guān)珊珊

(青島理工大學(xué) 自動化學(xué)院,山東 青島 266033)

隨著人類生活質(zhì)量的提高,人們對于室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求也越來越苛刻,空調(diào)作為調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的主要手段,其能耗和溫度控制效果也倍受人們關(guān)注,而隨時為人們提供溫度合適,水量穩(wěn)定的生活熱水也是現(xiàn)代生活必然要求。將空調(diào)與生活熱水供應(yīng)相結(jié)合,研制一種高效節(jié)能的一體化空調(diào)控制系統(tǒng)具有很強的實用價值,也是對國家節(jié)能減排號召的積極響應(yīng)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計理念

1.1 多源切換的節(jié)能性分析

在光照充足的情況下,根據(jù)光熱轉(zhuǎn)換原理,利用太陽能對集熱器內(nèi)的水加熱作為生活用熱水是目前最節(jié)能最清潔的生活熱水提供方式,但由于光熱轉(zhuǎn)換的過程對光照的依賴性強,也使得該方式有供熱不穩(wěn)定的弊端,因此必須有輔助制熱手段,如熱泵機組的配合使用,才能保證在任何光照環(huán)境下,都能為人們提供穩(wěn)定舒適的生活用熱水。

地源是指地表淺層(通常小于400 m深,如地表土壤、地下水、河流、湖泊)接受太陽光照射而存儲的能源。適合于各個時節(jié)的空調(diào)熱泵使用,地源熱泵空調(diào)比傳統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高30%～40%。

基于目前大部分城市冬季采暖實行集中供熱的方式,而且市政管網(wǎng)供熱具有成本低,效果好的特點,用來作為冬季太陽能制熱不足的輔助能源并直接供給房間取暖使用,可節(jié)省成本和提高效能。

綜上所述,利用先進可靠的控制手段將太陽能、地源能以及市政供熱結(jié)合起來,在不同的季節(jié)條件下采用不同的能源,揚長避短,充分發(fā)揮其節(jié)能、低成本的優(yōu)勢,既減少了環(huán)境的污染,又使系統(tǒng)效能達到最大化。

1.2 氣候補償原理

氣候補償原理是基于一個普遍事實:室外溫度的變化很大程度上決定了建筑物需熱量的大小,進而決定了能耗的高低。因此,系統(tǒng)運行參數(shù)應(yīng)隨室外溫度的變化實時進行動態(tài)調(diào)整,始終保持供熱量與建筑物的需熱量相一致,才能保證室內(nèi)溫度在不同室外溫度情況下的相對穩(wěn)定,實現(xiàn)按需供熱,高效節(jié)能。

本系統(tǒng)基于氣候補償原理設(shè)計的控制算法,應(yīng)用于太陽能供熱和市政集中供熱狀態(tài)下的溫度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)根據(jù)檢測的供、回水溫度與室外溫度,按照算法設(shè)計,輸出控制信號,控制電動閥隨時調(diào)節(jié)管路流量,實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié);同時還設(shè)定不同時間段的溫度,更加趨于人性化,進一步提高了環(huán)境的舒適度。

2 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計

本系統(tǒng)用于我國某海軍基地的空調(diào)及生活熱水的控制,該基地建筑面積約合16 000 m2,分為宿舍區(qū)、餐廳區(qū)和日?；顒訁^(qū),溫度控制區(qū)域包括宿舍區(qū)、餐廳區(qū)和日常活動區(qū);生活熱水供應(yīng)區(qū)域包括宿舍區(qū)及餐廳區(qū),約合11 000 m2。該基地所在區(qū)域具有夏季日照充足,地下水水質(zhì)優(yōu)秀且充足以及市政集中供熱成本低的特點,因此選擇太陽能-地源熱泵-市政供熱的結(jié)合方式實現(xiàn)多源空調(diào)的控制系統(tǒng)。

圖1為空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of air conditioning and hot water supply

2.1 模式說明

1)手動運行模式。在此方式下,操作員可通過觸摸屏對系統(tǒng)的水泵組、熱泵機組、管網(wǎng)控制閥組等直接進行操作,控制效果均可反映在觸摸屏上。

2)自動運行模式。在此方式下,系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數(shù)、經(jīng)過氣候補償算法處理,產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號組,對室內(nèi)溫度以及生活熱水溫度進行自動調(diào)節(jié)。

2.2 季節(jié)說明

1)夏季。太陽能循環(huán)泵組開啟,對生活熱水加熱;地源熱泵機組開啟為空調(diào)制冷提供冷源。

2)過渡季。太陽能循環(huán)泵組開啟,對生活熱水加熱;地源熱泵機組在太陽能供熱不足情況下開啟為生活熱水進行輔助加熱。

3)冬季。太陽能循環(huán)泵組開啟,對生活熱水加熱;市政集中供熱直接為室內(nèi)溫度提供熱源,同時為生活用熱水輔助加熱。

4)輔助加熱說明。在設(shè)定的時間,系統(tǒng)檢測當(dāng)前生活熱水的溫度,如果水溫未達到使用的要求,太陽能循環(huán)泵組停止,輔助加熱模式啟動,對水箱中的水進行補熱,當(dāng)水溫達到使用溫度時,輔助加熱停止,以此確保生活熱水系統(tǒng)的正常使用。

2.3 保護措施

1)防過熱保護。在夏季某些時段出現(xiàn)高溫情況時,防止過高的水溫損壞太陽能集熱器,系統(tǒng)會自動采取落水式保護措施,當(dāng)系統(tǒng)檢測到集熱器出水溫度高于人為設(shè)定的高溫警戒溫度時,太陽能循環(huán)泵組停轉(zhuǎn),太陽能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥打開,太陽能集熱器和管路中的水在重力的作用下排到落水箱內(nèi),實現(xiàn)系統(tǒng)的排空防過熱。

2)防凍保護。在冬季某些時段出現(xiàn)低溫情況時,防止過低的水溫損壞太陽能集熱器,系統(tǒng)會自動采取落水式保護措施,當(dāng)集熱器出水溫度低于設(shè)定的低溫警戒溫度時,太陽能循環(huán)泵組停轉(zhuǎn),太陽能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥和空氣平衡閥開啟,太陽能集熱器和管路中的水在重力的作用下,排到落水箱內(nèi),實現(xiàn)系統(tǒng)的排空防凍。

3)防干燒補水保護。系統(tǒng)的補水方式采用電磁閥定時自動補水。當(dāng)達到補水時間時,壓力檢測/傳感器檢測當(dāng)前水位,當(dāng)此時水箱水位低于設(shè)定水位下限時,機組和水泵組停轉(zhuǎn),迅速補水,防止干燒。

2.4 控制說明

本系統(tǒng)以PLC為控制核心,以觸摸屏作為人機交互界面,實時顯示各檢測點的信息數(shù)據(jù),以動態(tài)圖形顯示系統(tǒng)在各種工況下的管網(wǎng)運行狀態(tài),并且可通過觸摸屏對系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控和管理。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選擇1臺FP-X系列PLC以及配套的時間模塊MRTC;A/D轉(zhuǎn)換模塊A80一塊,用于處理各項檢測數(shù)據(jù)并上傳給PLC;1臺多功能觸摸屏MT6070i,實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài),并提供對系統(tǒng)的手動操作;溫度傳感器:測量范圍為0～100℃,測量精度優(yōu)于0.5℃,3支,分別檢測集熱器出口溫度,熱水箱溫度,生活熱水管路溫度;測量范圍為-20～200℃,測量精度優(yōu)于0.5℃,1支,用于檢測集熱器入口溫度;壓力傳感器:測量范圍為0～0.3MPa,1支,用于檢測熱水箱的水壓。

圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of the system hardware design

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 控制程序算法的設(shè)計

根據(jù)氣候補償?shù)幕驹?經(jīng)過推導(dǎo),確定室外溫度tw,用戶供、回水溫度tg,th,室外管網(wǎng)流量關(guān)系。在不同的tw,tg和th下,當(dāng)熱水網(wǎng)路在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時,管網(wǎng)的沿途熱損失忽略,采暖用戶的熱負荷Q1,采暖用戶系統(tǒng)散熱設(shè)備的散熱量Q2,供熱網(wǎng)路的供熱量Q3有以下關(guān)系:

式中:twn為采暖室外計算溫度;q′為建筑物的采暖體積熱指標(biāo);V為建筑外圍面積;tn為采暖室內(nèi)計算溫度;K′為散熱器在設(shè)計工況下的傳熱系數(shù);tpj為散熱器內(nèi)的熱媒平均溫度;G′為采暖用戶的循環(huán)水量;C為熱水的比熱容,C=4.187 kJ/(kg?℃)。

實際室外溫度tw條件下熱負荷與采暖室外計算溫度tw n條件下熱負荷的比值稱為相對采暖熱負荷比即

1)量調(diào)節(jié)。在本系統(tǒng)中,由于市政集中供熱和地源的溫度本身都具有較高的穩(wěn)定性,即供回水溫度都是相對穩(wěn)定的,適合采取量調(diào)節(jié)方式,系統(tǒng)不改變外網(wǎng)供回水溫度,而是通過調(diào)節(jié)電動三通閥開度,來改變外網(wǎng)供回水流量,已達到調(diào)節(jié)溫度的效果。根據(jù)氣候補償原理推導(dǎo)量調(diào)節(jié)方式的基本公式,當(dāng)采暖熱負荷變化時,使熱水網(wǎng)路相對流量比等于采暖用戶相對熱負荷比,即:GW=GY。利用式(3)就可計算出室外熱水網(wǎng)路和采暖用戶采用換熱器間接連接時,熱水網(wǎng)路需要流量。

2)質(zhì)調(diào)節(jié)。由于生活用水取決于人們?nèi)粘Ｉ钣盟?為了保證時刻都有充足的水量以及合適的溫度,適合使用水泵的變頻功能對生活熱水進行質(zhì)調(diào)節(jié),即不改變管網(wǎng)流量,僅改變供回水溫度,達到溫度控制的目的。既能保持管網(wǎng)內(nèi)水壓恒定又能保證水溫的合適,因此,根據(jù)采暖熱負荷質(zhì)調(diào)節(jié)的基本公式:

可求出某一室外溫度為tw的條件下,采暖用戶系統(tǒng)供、回水溫度的計算公式:

式中:tg,th分別為某一室外溫度tw條件下,采暖用戶的供、回水溫度;t′g,t′h分別為采暖室外計算溫度twn條件下,采暖用戶的設(shè)計供、回水溫度為相對熱負荷比。

3.2.2 控制程序的編寫

基于以上推導(dǎo)的氣候補償算法的基本公式,系統(tǒng)程序在FPWIN軟件環(huán)境下完成了實現(xiàn)。圖3為系統(tǒng)控制過程流程圖。

圖3 控制過程流程圖Fig.3 Control process flow chart

3.3 觸摸屏設(shè)計

系統(tǒng)選用多功能觸摸屏,可以實時顯示系統(tǒng)運行狀況,讀取和設(shè)定系統(tǒng)參數(shù),并可以通過屏幕對系統(tǒng)進行手動操作。

4 工況詳解

整個系統(tǒng)運行狀態(tài)都按照時間順序和環(huán)境條件來產(chǎn)生控制信號。

1)太陽能水循環(huán)。①達到上水時間,系統(tǒng)檢測當(dāng)前水位,確定是否需要進行補水動作,使得水箱滿足條件。②達到加熱時間,系統(tǒng)采取溫差啟動方式,當(dāng)供回水溫差達到預(yù)定值時,太陽能循環(huán)閥開啟,太陽能循環(huán)泵啟動,太陽能水循環(huán)開始;當(dāng)供回水溫差達到截止溫差啟動條件時,太陽能循環(huán)泵停轉(zhuǎn),太陽能水循環(huán)停止。③在太陽能水循環(huán)運行過程中,PLC根據(jù)氣候補償算法實時輸出控制信號,對管路的水量進行動態(tài)量調(diào)節(jié)。④系統(tǒng)的保護模式根據(jù)所處的時節(jié)決定其開啟為防過熱或者防凍。⑤輔助加熱判斷在生活熱水開啟時間開始前1 h,此時系統(tǒng)判斷熱水箱溫度是否滿足熱水溫度要求,決定是否開啟輔助加熱模式,輔助加熱的方式取決于當(dāng)前時節(jié),夏季與過渡季時,啟動地源熱泵,冬季時切換由市政集中供熱。

2)生活熱水循環(huán)。①達到生活熱水啟動時間,系統(tǒng)檢測熱水管道水溫,如果溫度小于設(shè)定值(38℃)時,開啟熱水閥和熱水循環(huán)泵,將管道中的水經(jīng)蓄熱水箱循環(huán)加熱至設(shè)定值(40℃)后,循環(huán)閥和熱水泵關(guān)閉。②系統(tǒng)通過對變頻循環(huán)泵的控制對管路水量進行質(zhì)調(diào)節(jié),已確保生活熱水的壓力的穩(wěn)定和溫度的合適。

3)空調(diào)循環(huán)。達到空調(diào)開啟時間,系統(tǒng)根據(jù)時節(jié)的設(shè)定,為空調(diào)選擇合適的能源,同時根據(jù)系統(tǒng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行氣候補償運算,輸出控制信號,控制電動閥的開度,進行量調(diào)節(jié),最終控制室內(nèi)溫度。

圖4為夏季系統(tǒng)管路運行示意圖。

圖4 夏季運行管路示意圖Fig.4 Piping plan sketch in summer

夏季(過渡季)系統(tǒng)運行過程詳細說明如下。

1)生活用水。①8∶00系統(tǒng)檢測熱水箱水壓,經(jīng)過補水操作,保證熱水箱水位滿足要求。②8∶30開始檢測集熱器出入口溫差,當(dāng)溫差大于或等于啟動溫差6℃時,太陽能循環(huán)閥K1開啟,太陽能循環(huán)泵P11啟動。③當(dāng)溫差小于停止溫差2℃時,太陽能循環(huán)閥K1關(guān)閉,太陽能循環(huán)泵P11停轉(zhuǎn)。④系統(tǒng)防過熱保護開啟,當(dāng)集熱器出口溫度T2高于85℃時,系統(tǒng)進入防過熱模式,太陽能循環(huán)泵停轉(zhuǎn),太陽能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥開啟。⑤16∶00檢測生活熱水管路溫度T4未達38℃,系統(tǒng)開啟過渡季輔助加熱模式,太陽能循環(huán)閥K1關(guān)閉,板換閥開啟,地源熱泵機組啟動開始制熱,通過熱交換器進行輔助加熱。⑥17∶00生活熱水啟動,系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)開啟,確保生活用水滿足要求。2)空調(diào)。夏季地源熱泵機組開啟用于空調(diào);過渡季空調(diào)停用,地源熱泵機組僅用于生活用水的輔助加熱。

冬季運行過程簡要說明如下。

1)生活用水。與夏季基本相同,需要開啟防凍保護,當(dāng)集熱器出口溫度T2低于5℃時,開啟防凍模式,控制方式與防過熱相同;輔助加熱時,開啟市政管網(wǎng)供熱控制閥,通過換熱器進行輔助加熱。2)空調(diào)?？照{(diào)能源來源于市政管網(wǎng)通過熱交換器進行室內(nèi)溫度控制。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計是針對具有太陽能、地源以及可提供城市集中供熱地區(qū)的一種高效節(jié)能空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計,但是多源切換的理念可以擴展到其他能源的組合使用,發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢,以達到最大效率的節(jié)能;氣候補償算法是一種基于環(huán)境參數(shù)而進行的動態(tài)調(diào)節(jié)算法,比傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)更加接近室外氣候。在一個采暖及空調(diào)(制冷)季,本系統(tǒng)比傳統(tǒng)風(fēng)冷中央空調(diào)可以節(jié)約能源達到30%,而且太陽能和地源都是可再生綠色能源,無需燃煤或燃油,尤其在當(dāng)前對新能源和綠色可再生能源需求較高的形勢下,本系統(tǒng)的設(shè)計具有廣泛和深遠的意義。

[1]American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineer[Z].Ground-source Heat Pump Engineering Manual,1995.

[2]松下公司.FP系列編程手冊[Z].2004.