太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程武山, 李中彩

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

目前,建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列成為我國(guó)能源消耗的3大“耗能大戶”,其中采暖和空調(diào)耗能約占建筑總耗能的55%．面臨全球能源危機(jī)和人們對(duì)建筑節(jié)能的要求,開發(fā)利用新能源、降低供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗和節(jié)約能源是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題[1-3]．隨著我國(guó)“十一五”節(jié)能規(guī)劃和《可再生能源法》的頒布實(shí)施,可再生能源,尤其是地源熱泵和太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用正日益受到重視[4]．

因土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小,換熱面積大,而且熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行,會(huì)使土壤溫度場(chǎng)產(chǎn)生波動(dòng),造成地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)投資大且運(yùn)行不穩(wěn)定．對(duì)于太陽(yáng)能技術(shù)而言,受環(huán)境因素影響較大,能流密度低,大大限制了太陽(yáng)能有效利用[5-6]．為解決單一熱源熱泵技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在的缺陷,文中設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多種運(yùn)行模式,功能全面,開放性強(qiáng),可滿足冬季采暖和夏季制冷．同時(shí),太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合控制系統(tǒng)采用基于模糊PID控制器的自動(dòng)變頻控制技術(shù),提高了對(duì)采暖末端溫度的控制精度,降低了能耗．

1 太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)定義

太陽(yáng)能與地?zé)崮軓?fù)合供暖系統(tǒng)原理如圖1．太陽(yáng)能與地源熱泵復(fù)合能源系統(tǒng)以太陽(yáng)能和地球表層土壤中儲(chǔ)存的熱能作為熱泵的熱源,是太陽(yáng)能和地?zé)崮芫C合利用的一種形式,屬于多種低品位熱源通過(guò)熱泵來(lái)加以利用的方式．夏天供冷和冬天供熱的過(guò)程中可通過(guò)閥門切換,改變冷熱媒流向,完成不同運(yùn)行模式的運(yùn)轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)可再生能源利用在住宅工程中的系統(tǒng)多樣化、高效化．

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行工況

實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的多樣性,主要體現(xiàn)在系統(tǒng)可以在太陽(yáng)能和地?zé)崮芾弥g切換,根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行或交替運(yùn)行[7-9],共6種運(yùn)行工況．

1) 太陽(yáng)能直接供暖工況:利用太陽(yáng)能和蓄熱水箱的熱水為地板輻射采暖系統(tǒng)直接供熱,該運(yùn)行模式中水箱出口水溫即為地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)口水溫．此時(shí),泵B1,B2,B3開啟,閥門V1,V5開啟,熱泵主機(jī)關(guān)閉,其余閥門關(guān)閉．

2) 太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合供暖運(yùn)行工況：該運(yùn)行模式中,埋管換熱器與太陽(yáng)能集熱器耦合方式為串聯(lián),太陽(yáng)能集熱器加熱的循環(huán)水經(jīng)蓄熱水箱進(jìn)入室外埋管換熱器,然后進(jìn)入熱泵主機(jī)的熱交換器．此時(shí),熱泵主機(jī)開啟,泵B1,B2,B3,B4開啟,閥門V2，V8，V3，V6開啟,其余關(guān)閉．

3) 地源熱泵供暖運(yùn)行工況：當(dāng)蓄熱水箱出口側(cè)水溫低于土壤溫度時(shí),單獨(dú)用地源熱泵給用戶供暖．此時(shí),熱泵機(jī)組開啟,泵B3,B4開啟,閥門V8，V9，V6開啟,其余關(guān)閉．

4) 晝夜交替運(yùn)行:主要是指夜間運(yùn)行采用地源熱泵,日間則采用太陽(yáng)能熱泵供暖,并在此期間讓土壤溫度自然恢復(fù),該交替運(yùn)行方式適用于晝夜均需采暖情況．采用太陽(yáng)能熱泵供暖時(shí),熱泵主機(jī)開啟,泵B1,B2,B3開啟,閥門V7，V3，V6開啟,其余關(guān)閉．

5) 地源熱泵制冷運(yùn)行工況:夏季主要由地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供冷．此時(shí),熱泵機(jī)組開啟,泵B3,B4開啟,閥門V8，V9，V6開啟,其余關(guān)閉．

6) 地下埋管蓄熱運(yùn)行工況:該運(yùn)行方式主要于過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行,使太陽(yáng)能通過(guò)U型埋管向土壤中補(bǔ)熱,為冬季供熱儲(chǔ)備能量．此時(shí),熱泵機(jī)組開啟,泵B1,B2, B4開啟,閥門V2，V4開啟,其余關(guān)閉．

B1-太陽(yáng)能即熱循環(huán)泵;B2-太陽(yáng)能熱水循環(huán)泵;B3-室內(nèi)末端循環(huán)泵;B4-室外地埋管循環(huán)泵;

1-太陽(yáng)能集熱器;2-熱泵主機(jī);3-壓縮機(jī);4-節(jié)流閥;5-分水器;6-集水器;7-壓差控制器閥;

Ⅰ-蒸發(fā)器;Ⅱ-冷凝器;Ⅲ-蓄熱水箱;Ⅳ-室內(nèi)采暖末端;Ⅴ-室外埋管換熱器

圖1太陽(yáng)能與地?zé)崮軓?fù)合供暖系統(tǒng)原理

Fig.1Schematicdiagramofthehybridheatingsystemofsolarenergyandgroundsourceheatpump

2 太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

2.1 三層分布式控制結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用監(jiān)控管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層三層分布式控制結(jié)構(gòu)(圖2)．監(jiān)控管理層的硬件采用西門子觸摸屏TP170B,通過(guò)RS485接口與PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取/寫入及校驗(yàn)．中間現(xiàn)場(chǎng)控制層以西門子S7-200可編程控制器為控制核心,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集、控制運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理,再將控制信號(hào)輸出給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制．現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥、循環(huán)水泵和壓縮機(jī)等一些操作機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)．

圖2 太陽(yáng)能與地?zé)崮軓?fù)合系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中,上位機(jī)實(shí)時(shí)地從PLC采集數(shù)據(jù),并向PLC發(fā)送連鎖啟停、急停、復(fù)位等開關(guān)量信號(hào)．控制層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間,由PLC輸出信號(hào)控制電動(dòng)閥、循環(huán)水泵和壓縮機(jī)等的啟停狀態(tài),實(shí)現(xiàn)不同工作模式的狀態(tài)切換,其輸入/輸出信號(hào)如表1．

2.2 控制方案

2.2.1 太陽(yáng)能集熱器溫差循環(huán)控制

太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵B1采用溫差循環(huán)控制．此時(shí),當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口溫度T1與其回水溫度T2滿足T1-T2>8 ℃,同時(shí)蓄熱水箱出水溫度低于上限75℃時(shí),啟動(dòng)集熱循環(huán)泵B1;當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口溫度T1與回水溫度T2滿足T1-T2<4℃,或者蓄熱水箱出口溫度高于其上限75 ℃時(shí),則關(guān)閉集熱循環(huán)泵B1．

表1 輸入/輸出信號(hào)

2.2.2 水泵變頻控制

變頻器對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要,由PLC發(fā)送指令改變其工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的．控制器以PLC為核心,通過(guò)溫度傳感器采集末端集水器內(nèi)水的溫度,并將其與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,得到溫度偏差信號(hào),再通過(guò)模糊PID控制算法輸出控制信號(hào),控制變頻器的輸出頻率．從而實(shí)現(xiàn)了溫度對(duì)變頻器頻率的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[10]．

在每種工作模式下,PLC可以單獨(dú)對(duì)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)施閉環(huán)控制和調(diào)節(jié),其中采用模糊PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié),算法內(nèi)嵌于PLC中, 也可以接收上位機(jī)信號(hào),實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)上位機(jī)的控制[11]．以供暖系統(tǒng)中的室內(nèi)末端循環(huán)水泵為例,其控制框圖如圖3．

圖3 控制過(guò)程

2.2.3 溫度自動(dòng)控制

對(duì)于太陽(yáng)能-地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來(lái)講,溫度是其控制的最主要指標(biāo)．在電機(jī)的帶動(dòng)下,水泵使載有一定溫度的水循環(huán)流動(dòng),經(jīng)過(guò)散熱器將熱量(或冷氣)送到各個(gè)房間,然后在水泵的作用下又回到熱交換器,重新被加熱或降溫,以此循環(huán),保持房間溫度穩(wěn)定．在控制系統(tǒng)中,冬季和夏季系統(tǒng)需要控制的狀態(tài)是不同的,冬季主要是熱水，夏季則為冷凍水[12]．以冬季為例,熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)供水溫度為45℃,回水溫度即用戶端集水器內(nèi)的水溫度一般控制在40℃,并作為控制溫度的取樣點(diǎn)．而最佳溫度點(diǎn)人為設(shè)定,根據(jù)地區(qū)氣溫情況不同分手動(dòng)/自動(dòng)設(shè)定兩種工作模式．其控制流程為圖4．

圖4 冬季熱水溫度控制流程

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要基于西門子PLC-200,采用西門子編程軟件STEP7-Micro/Win 編程環(huán)境,梯形圖編程語(yǔ)言, 模塊化編程．根據(jù)控制系統(tǒng)各部分完成的功能不同,把程序劃分成不同的功能模塊,其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5．開始工作時(shí),首先進(jìn)行工作模式選擇(冬季供暖、夏季制冷、過(guò)渡季節(jié)蓄熱)．冬季供暖時(shí),檢測(cè)到蓄熱水箱溫度高于45 ℃,同時(shí)房間溫度低于18 ℃時(shí),采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)直接供熱,否則采用其他運(yùn)行工況對(duì)房間供暖,此時(shí)需開啟地源熱泵機(jī)組．過(guò)渡季節(jié),將蓄熱水箱中的水打入地下埋管,給土壤蓄熱,以備冬季供暖．夏季制冷時(shí),由于冬季長(zhǎng)時(shí)間從地下取熱,地下埋管周圍土壤溫度較低(6～15 ℃),此時(shí)可以直接利用埋管中溫度較低的循環(huán)液體給房間供冷,直到溫度上升到17 ℃左右時(shí),改為地源熱泵制冷,節(jié)約能源．

圖5 太陽(yáng)能與地?zé)崮軓?fù)合系統(tǒng)控制流程

3 系統(tǒng)仿真

在太陽(yáng)能-地?zé)崮軓?fù)合供暖系統(tǒng)中一個(gè)重要問(wèn)題就是能否實(shí)現(xiàn)對(duì)末端溫度點(diǎn)的精確控制和最大節(jié)約能源．由于模糊控制具有不依賴于精確數(shù)學(xué)模型,動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn),文中采用模糊PID控制算法,實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整．通過(guò)Matlab/Simulink仿真,單位階躍輸入信號(hào)下,參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制下的響應(yīng)曲線如圖6,其上升時(shí)間為0.07 s,超調(diào)量小,系統(tǒng)能夠快速跟蹤輸入信號(hào)．該系統(tǒng)既保持了模糊控制的靈活性,又具有PID控制精度高的特點(diǎn),響應(yīng)速度快,魯棒性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制．

4 結(jié)論

在太陽(yáng)能與地?zé)崮軓?fù)合供暖系統(tǒng)中,太陽(yáng)能作為輔助熱源,聯(lián)合地源熱泵給建筑供暖,實(shí)現(xiàn)了多能源聯(lián)合利用．另外,其控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心,用上、下位機(jī)相配合,實(shí)現(xiàn)了不同狀態(tài)模式的自動(dòng)切換,并結(jié)合基于模糊PID的自動(dòng)變頻智能控制方案,大大提高了對(duì)溫度控制的快速性和準(zhǔn)確性,有利于節(jié)約能源和對(duì)能源的高效利用．本系統(tǒng)初步運(yùn)行良好,目前處于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段．

圖6 模糊PID仿真結(jié)果

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