三套管蓄能熱泵系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)分析

王娜娜，曲德虎

（1.廣東吉榮空調(diào)有限公司，廣東 揭陽(yáng) 522000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，因此造成的能源消耗、空氣污染等問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，因此對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用也變得尤為重要。本文介紹的三套管蓄能型太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)是將太陽(yáng)能和空氣能相結(jié)合在一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中，構(gòu)成多源的熱泵結(jié)構(gòu)。兩種能源取長(zhǎng)補(bǔ)短，通過(guò)空氣源熱泵技術(shù)和蓄能技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到一機(jī)多用、全年運(yùn)行的效果。

1 三套管蓄能熱泵系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，三套管蓄能型熱泵機(jī)組主要由壓縮機(jī)、四通換向閥、電磁閥、逆止閥、膨脹閥、過(guò)濾器、空氣換熱器、板式換熱器、氣液分離器、儲(chǔ)液桶、三套管蓄能換熱器、水泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管、流量計(jì)組成。

本系統(tǒng)選用蓄能材料RT5HC，蓄能密度統(tǒng)計(jì)值為245kJ/kg，相變溫度區(qū)間5℃～6℃。由于相變溫度適中，該系統(tǒng)可在冬季蓄熱供熱，夏季蓄冷供冷。

2 系統(tǒng)控制需求分析

2.1 系統(tǒng)的工作模式

三套管蓄能型熱泵機(jī)組既可以夏季供冷，也可以冬季供熱，也可以在過(guò)渡季節(jié)使用。無(wú)論供冷還是供熱，機(jī)組的冷源（或者熱源）都不是唯一的。例如供冷時(shí)，既可以是蓄能器供冷，也可以是空氣源熱泵機(jī)組供冷，還可以是二者聯(lián)合供冷。在這種情況下，機(jī)組的工作模式很多。本文根據(jù)機(jī)組的特性，選取了8種典型的工作模式：夏季夜間蓄冷模式、夏季蓄能器單獨(dú)供冷模式、夏季空氣源熱泵與蓄能器聯(lián)合供冷模式、夏季空氣源熱泵單獨(dú)供冷模式、冬季太陽(yáng)能蓄熱模式、冬季蓄能器單獨(dú)供熱模式、冬季空氣源熱泵單獨(dú)供熱模式、冬季蓄冷除霜模式。在該系統(tǒng)中采用人工設(shè)定與自動(dòng)控制相結(jié)合的方法，首先由用戶選擇機(jī)組的工作模式：制冷或制熱。之后由控制邏輯實(shí)現(xiàn)不同空調(diào)期內(nèi)具體工作模式的自動(dòng)切換。不同工作模式之間的切換主要通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 三套管蓄能型熱泵系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置

三套管蓄能型熱泵機(jī)組系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要測(cè)量的運(yùn)行參數(shù)較多，其中需要控制系統(tǒng)采集的溫度傳感器有37個(gè)，壓力傳感器有7個(gè)。眾多參數(shù)中，部分測(cè)點(diǎn)參數(shù)作為工作模式的切換依據(jù)、機(jī)組的啟停條件、或者是故障保護(hù)的條件，因此測(cè)點(diǎn)的合理布置是機(jī)組安全高效運(yùn)行的重要前提。系統(tǒng)中，蓄能器內(nèi)相變材料的溫度分布情況十分重要。為此，在3組蓄能器內(nèi)分別布置了9個(gè)、5個(gè)、5個(gè)溫度傳感器。另外，對(duì)蓄能器入口和出口的制冷劑狀態(tài)參數(shù)、壓縮機(jī)的吸氣/排氣參數(shù)、各部分的水溫和壓力都要監(jiān)測(cè)和記錄。需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)之多，對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析都提出了更高的要求。

3 控制方案設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件選型

通過(guò)對(duì)三套管蓄能型熱泵機(jī)組控制需求的分析，選擇CO-TRUST可編程控制器和昆侖通態(tài)HMI來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。具體配置為：1個(gè)CPU226L，5個(gè)擴(kuò)展模塊CTS 231-7NF32，2個(gè)CTS7 235-0KD32，1個(gè)TPC7062KX。

由于系統(tǒng)控制邏輯復(fù)雜，選擇PLC作為控制系統(tǒng)的核心有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文中選擇的CO-TRUST PLC具有強(qiáng)大的通信能力、高速的運(yùn)算能力、大的程序存儲(chǔ)空間，能夠滿足高性能復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求和較大的數(shù)據(jù)處理需求。在本系統(tǒng)中，需要采集的數(shù)據(jù)量巨大，而1個(gè)CTS 231-7NF32模塊可以對(duì)8個(gè)NTC傳感器采樣，因此選擇5個(gè)CTS 231-7NF32模塊，滿足40個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)采集需求；另外2個(gè)CTS7 235-0KD32采集4mA～20mA信號(hào)，滿足8個(gè)壓力傳感器采集需求。

人機(jī)界面負(fù)責(zé)機(jī)組的控制、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)歸檔等功能。本系統(tǒng)選擇昆侖通態(tài)觸摸屏，其主要優(yōu)點(diǎn)是：7寸高清液晶顯示，功能強(qiáng)大，組態(tài)方便，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和歸檔功能，支持U盤(pán)備份導(dǎo)出。

3.2 PLC的控制點(diǎn)分布

數(shù)字量輸入點(diǎn)主要包括壓縮機(jī)過(guò)載保護(hù)、冷凝風(fēng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、水泵過(guò)載等，其他機(jī)組故障報(bào)警及保護(hù)功能通過(guò)控制軟件編程實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字量輸出點(diǎn)主要包括壓縮機(jī)控制、水泵控制、四通閥控制、總故障輸出以及用來(lái)模式切換的8個(gè)電磁閥控制。

模擬量輸入點(diǎn)包括37個(gè)NTC（Negative Temperature Coefficient）溫度采集點(diǎn)和7個(gè)壓力傳感器采集點(diǎn)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)吸排氣、蓄能器出入口、蓄能器內(nèi)相變材料、板式換熱器制冷劑以及系統(tǒng)中水的溫度或壓力，這些采集點(diǎn)部分用于控制或保護(hù)功能，部分用于監(jiān)測(cè)比對(duì)。

3.3 控制邏輯設(shè)計(jì)

機(jī)組主要工作于兩種一級(jí)工作模式，一種是制冷，一種是制熱，用戶通過(guò)觸摸屏設(shè)定選擇，在制冷或制熱模式下又分若干二級(jí)工作模式。以下以制熱模式為例，介紹控制邏輯設(shè)計(jì)方法，具體控制邏輯如圖2所示。圖2中，Tin為室內(nèi)干球溫度；Tinset為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；Tout為室外干球溫度；TPCM為相變材料溫度；Tsol為太陽(yáng)能熱水溫度。

制熱模式下主要分4個(gè)二級(jí)工作模式。由于室外環(huán)境溫度不同時(shí)，空氣源熱泵供熱和蓄能器供熱的效率不同，所以用室外溫度作為選擇兩種工作模式的依據(jù)。在室外溫度過(guò)低時(shí)，如果是空氣源熱泵供熱存在結(jié)霜問(wèn)題，此時(shí)通過(guò)蓄能器蓄冷模式達(dá)到除霜目的。

3.4 控制軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

在主程序中對(duì)各種運(yùn)行模式的條件進(jìn)行判斷，通過(guò)程序中VW100的數(shù)值不同對(duì)應(yīng)8種工作模式，每個(gè)工作模式對(duì)應(yīng)一個(gè)子程序，每個(gè)子程序中對(duì)壓縮機(jī)、水泵、四通閥、電磁閥的動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同工作模式的控制功能。

圖2 制熱模式控制邏輯

壓力采集通過(guò)“模擬量功能塊”實(shí)現(xiàn)。作為PLC中常用的模擬量采集功能，通過(guò)功能庫(kù)的形式將程序固化，這樣一方面有利于簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，另一方面在程序編寫(xiě)過(guò)程中不易出錯(cuò)，出錯(cuò)后易于檢查。

NTC溫度傳感器編程相對(duì)更容易，根據(jù)編制要求確定溫度采集點(diǎn)地址，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)格式換算就可以通過(guò)HMI查看結(jié)果。

通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。在該系統(tǒng)中有以下保護(hù)：壓縮機(jī)過(guò)載保護(hù)、冷凝風(fēng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、水泵過(guò)載保護(hù)、壓縮機(jī)高低壓保護(hù)。故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的部件停止運(yùn)行，通過(guò)HMI可以查看故障信息。

3.4.2 HMI程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)非常多，對(duì)數(shù)據(jù)記錄提出較高的要求，通過(guò)對(duì)昆侖通態(tài)觸摸屏的軟件組態(tài)可以滿足記錄要求。在軟件中可以定義數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔、需要采集的變量、數(shù)據(jù)按升序或者降序時(shí)間條件排列、變量值篩選條件等，可以準(zhǔn)確地記錄滿足要求的數(shù)據(jù)值，存儲(chǔ)空間大，允許記錄大批量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可以設(shè)定導(dǎo)出數(shù)據(jù)的時(shí)間段和導(dǎo)出文件名稱。數(shù)據(jù)導(dǎo)出文件以EXCELL表格的形式存儲(chǔ)在U盤(pán)中。圖3為手操器上顯示的數(shù)據(jù)導(dǎo)出畫(huà)面顯示。

HMI還具有參數(shù)設(shè)定、開(kāi)關(guān)機(jī)、查看機(jī)組狀態(tài)、故障報(bào)警、手動(dòng)控制等功能，HMI是用戶和機(jī)組之間的橋梁，用戶對(duì)機(jī)組的操作控制都要通過(guò)它實(shí)現(xiàn)，而這些功能都是通過(guò)對(duì)其組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出畫(huà)面顯示

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文僅以冬季蓄能器單獨(dú)供熱模式為例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。運(yùn)行此模式時(shí)，蓄能器作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，此時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行情況與室外環(huán)境無(wú)關(guān)。

觀察沿制冷劑流動(dòng)方向管長(zhǎng)對(duì)相變材料冷卻特性的影響，如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示：入口測(cè)點(diǎn)降溫最慢，末端測(cè)點(diǎn)冷卻效果最理想。之所以會(huì)出現(xiàn)相變材料溫度沿管長(zhǎng)方向分布差異的現(xiàn)象，是制冷劑沿流動(dòng)方向流型變化影響到了傳熱。在倒數(shù)第2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度最低，說(shuō)明制冷劑即將跨過(guò)兩相區(qū)；在最后的測(cè)點(diǎn)看到溫度回升，說(shuō)明制冷劑已達(dá)到過(guò)熱，流出蒸發(fā)器（三套管蓄能型換熱器）。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了換熱器設(shè)計(jì)的合理性。

通過(guò)對(duì)樣機(jī)在蓄能器單獨(dú)供熱模式下運(yùn)行特性的分析，發(fā)現(xiàn)隨著供熱時(shí)間的推移，相變材料的溫度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)下降規(guī)律，但是供熱水溫卻不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)曲線回歸，發(fā)現(xiàn)供熱總量隨時(shí)間的變化函數(shù)是一次函數(shù)。也就是說(shuō)，在整個(gè)供熱階段，樣機(jī)的供熱性能非常穩(wěn)定，說(shuō)明利用蓄能器單獨(dú)供熱是可靠的。

圖4 管長(zhǎng)與相變材料溫度的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

目前該三套管蓄能熱泵系統(tǒng)已經(jīng)完成樣機(jī)測(cè)試工作，試驗(yàn)表明，該控制方案設(shè)計(jì)合理，能夠滿足機(jī)組性能需求。由CO-TRUST PLC與昆侖通態(tài)HMI組成的控制系統(tǒng)性價(jià)比高，能夠滿足機(jī)組在不同模式下的自動(dòng)切換，具有智能控制功能。