地源熱泵系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)探討

鄒 華 國

(山東正鑫工程設(shè)計(jì)有限公司 濰坊分公司, 山東 濰坊 261000)

0 引 言

建筑行業(yè)中的供暖制冷有著很大的能源消耗,在更好地促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的同時(shí),降低其能耗顯得至關(guān)重要。地源熱泵系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的能源消耗[1]。對(duì)地源熱泵系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,可以更好地節(jié)能,減少碳排放。本文以威海某實(shí)踐基地地源熱泵供暖制冷系統(tǒng)為例進(jìn)行分析探討。

1 地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 運(yùn)行原理

地源熱泵系統(tǒng)主要由室外系統(tǒng)、機(jī)組系統(tǒng)和室內(nèi)末端系統(tǒng)組成。地下溫度常年較為穩(wěn)定,地源熱泵正是利用了這一點(diǎn),把室外管路系統(tǒng)深埋于地下,通過熱泵原理進(jìn)行了能量交換。夏天取出地下的冷量制冷,冬天取出熱量供熱,僅需要消耗少量的電能就能驅(qū)動(dòng)機(jī)組進(jìn)行循環(huán),達(dá)到制冷供暖的目的。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

地源熱泵系統(tǒng)的換熱方式與其他空調(diào)系統(tǒng)不同,這使得它具有其他制冷供暖系統(tǒng)沒有的優(yōu)點(diǎn):① 高效節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率比鍋爐供熱系統(tǒng)高,且運(yùn)行費(fèi)用低。而鍋爐供用戶使用的熱量并不是很高,但運(yùn)行費(fèi)用高。因?yàn)橥寥赖臏囟容^為穩(wěn)定,與傳統(tǒng)的空氣能熱泵相比,制冷、制熱系數(shù)高,而且運(yùn)行費(fèi)用低。② 傳統(tǒng)的鍋爐在冬季供暖時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害的氣體、固體及液體,對(duì)環(huán)境造成影響。而地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中不產(chǎn)生任何的污染物,可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保,節(jié)能降耗。③ 操作簡單易學(xué)。地源熱泵系統(tǒng)可采用傳統(tǒng)的單片機(jī)控制方式,也可采用PLC控制方式[2],最終都是在觸摸屏上操作,控制界面清晰,操作流程簡單,只需要短時(shí)的培訓(xùn)即可上手。像戶用的電表一樣可以實(shí)現(xiàn)分戶收費(fèi),讓住戶產(chǎn)生良好的使用體驗(yàn)。④ 整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性高。機(jī)組選用的壓縮機(jī)、換熱器、電子膨脹閥等主要部件均為知名品牌,質(zhì)量可靠,不管環(huán)境如何變化,運(yùn)行穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)大的故障。每臺(tái)機(jī)組可以獨(dú)立控制,自成系統(tǒng)。⑤ 家用空調(diào)和燃?xì)忮仩t的壽命一般都在十年以下,而地源熱泵機(jī)組壽命在十年以上,循環(huán)系統(tǒng)壽命在二十年以上,地埋管系統(tǒng)壽命更長[3]。⑥ 遠(yuǎn)程智能控制?？梢酝ㄟ^監(jiān)控中心查看系統(tǒng)參數(shù),監(jiān)控系統(tǒng)能耗,通過算法優(yōu)化機(jī)組、水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù),實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。各類運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障類型可存儲(chǔ)打印,方便后期調(diào)整[4]。⑦ 后期維修保養(yǎng)費(fèi)用較低。地源熱泵系統(tǒng)沒有室外設(shè)備,不會(huì)出現(xiàn)一些常規(guī)的維護(hù)費(fèi)用,壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,故障率低,用起來省心。⑧ 應(yīng)用場合廣泛。不管是改擴(kuò)建工程還是新建工程,都可安裝地源熱泵系統(tǒng)。

2 地源熱泵配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 配電系統(tǒng)

此工程由3臺(tái)SM-200LR機(jī)組、4臺(tái)空調(diào)循環(huán)泵、2臺(tái)空調(diào)補(bǔ)水泵、4臺(tái)地埋循環(huán)泵、2臺(tái)地埋補(bǔ)水泵、12臺(tái)電動(dòng)閥組成,循環(huán)泵、補(bǔ)水泵均有1臺(tái)備用。地源熱泵整個(gè)配電系統(tǒng)主要包括對(duì)機(jī)組的配電、對(duì)空調(diào)循環(huán)泵和地埋循環(huán)泵的配電、對(duì)空調(diào)補(bǔ)水泵和地埋補(bǔ)水泵的配電、對(duì)電動(dòng)閥的配電等,其中對(duì)機(jī)組的配電是核心。機(jī)組配電的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的長期運(yùn)行。

2.2 機(jī)組配電系統(tǒng)

機(jī)組包括的電氣部件主要有壓縮機(jī)、25%電磁閥、50%電磁閥、75%電磁閥、中間噴液閥、回油電磁閥、液路電磁閥、電機(jī)噴液閥、機(jī)內(nèi)保護(hù)、排氣溫度、壓機(jī)高壓開關(guān)、壓機(jī)低壓開關(guān)、壓機(jī)過載開關(guān)和過熱開關(guān)部件。機(jī)組控制箱主要由斷路器、接觸器、控制板、電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)模塊、變壓器、相序保護(hù)器及中間繼電器等組成。該機(jī)組壓縮機(jī)功率大、起動(dòng)電流大,因此對(duì)壓縮機(jī)配電采用星三角起動(dòng)方式,避免了直接起動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)的損壞和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。壓縮機(jī)主回路圖如圖1所示。

配套部件主要有空調(diào)水流量開關(guān)、地埋水流量開關(guān)、空調(diào)水泵過載信號(hào)、地埋水泵過載信號(hào)、蒸發(fā)側(cè)供回水溫度、冷凝側(cè)供回水溫度等。對(duì)這些部件的控制主要通過設(shè)置在機(jī)組控制箱內(nèi)的控制板及操作面板來實(shí)現(xiàn)。操作面板通過RS-485通信對(duì)控制板進(jìn)行參數(shù)的讀寫及機(jī)組的控制。通過對(duì)流量開關(guān)、電磁閥、進(jìn)出口溫度、排氣溫度、壓力的實(shí)時(shí)檢測,控制壓機(jī)的起停及加載減載,更好地實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié),達(dá)到節(jié)能降耗的目的。地源熱泵配電系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

2.3 循環(huán)系統(tǒng)電氣配電

綜合考慮現(xiàn)有的GGD柜體尺寸,本次采用的柜體尺寸為800 mm×600 mm×2 000 mm,可選擇5臺(tái)柜子為其做配電。采用3臺(tái)機(jī)組的配電為1個(gè)柜子,因機(jī)組本身帶著部分配電和控制部件,所以機(jī)組配電較為簡單,主要由3個(gè)630 A斷路器和電流表、電壓表及銅排所組成。機(jī)組本身的功率較大,電流較高,進(jìn)線采用銅排接線會(huì)更加方便些?？照{(diào)側(cè)循環(huán)水泵和空調(diào)側(cè)補(bǔ)水泵采用1個(gè)柜子,空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵采用斷路器、接觸器和電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的方式進(jìn)行配電。22 kW的循環(huán)泵功率較大,采用星三角降壓起動(dòng)方式,這樣做可以降低起動(dòng)電流,減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊。3 kW空調(diào)側(cè)循環(huán)泵采用常規(guī)的斷路器、接觸器和熱過載繼電器組合方式配電,減少柜內(nèi)接線。此柜體總進(jìn)線采用225 A斷路器,可滿足要求?？照{(diào)側(cè)循環(huán)水泵的控制回路采用起動(dòng)開關(guān)、停止開關(guān)、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱過載繼電器的常閉觸電、3個(gè)接觸器的開閉觸電、線圈及時(shí)間繼電器,與PLC控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制。空調(diào)側(cè)補(bǔ)水泵采用電接點(diǎn)壓力表自動(dòng)補(bǔ)水控制,同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)有警鈴自動(dòng)報(bào)警。22 kW地埋側(cè)循環(huán)水泵和2.2 kW地埋側(cè)補(bǔ)水泵配電跟空調(diào)側(cè)一致。配電柜配電系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 配電柜配電系統(tǒng)圖

因電動(dòng)閥數(shù)量較多,為方便布線,采用2個(gè)柜子分別控制6個(gè)電動(dòng)閥。電動(dòng)閥的配電較為簡單,主要由斷路器和正反轉(zhuǎn)用的接觸器組成。電動(dòng)閥的功率較小,因此斷路器和接觸器均采用了較小的規(guī)格。其控制回路設(shè)置了正反轉(zhuǎn)和手動(dòng)/自動(dòng)的開關(guān)。最重要的是,為了更好地保護(hù)好電動(dòng)閥,電動(dòng)閥的開到位及關(guān)到位信號(hào)需要接入控制回路?？照{(diào)側(cè)循環(huán)泵和地埋側(cè)循環(huán)泵均用中間繼電器、接觸器輔助觸點(diǎn)和熱過載繼電器的觸點(diǎn)預(yù)留了端子,為自動(dòng)控制做好準(zhǔn)備。其運(yùn)行狀態(tài)反饋信號(hào)、故障反饋信號(hào)和自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)均接入端子。同樣,電動(dòng)閥的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)自動(dòng)控制信號(hào)、自動(dòng)信號(hào)也通過中間繼電器及其輔助觸點(diǎn)接入端子,為PLC控制做好接線。

3 機(jī)房的電氣設(shè)計(jì)

機(jī)房的電氣設(shè)計(jì)主要包括機(jī)組、水泵的配電電纜及信號(hào)電纜選擇,電纜橋架敷設(shè)平面圖的繪制以及機(jī)房的接地設(shè)計(jì)。本工程空調(diào)機(jī)房配電柜供電采用三相五線制系統(tǒng),電壓等級(jí)為380/220 V。機(jī)房設(shè)備配電柜供電電源由強(qiáng)電專業(yè)自變配電室引入,地源熱泵機(jī)組和水泵設(shè)備供電由低壓配電柜引至。供電設(shè)備電源線選用0.6/1 kV國標(biāo)電力電纜,采用電纜橋架敷設(shè)。

3.1 機(jī)組、水泵的配電電纜及信號(hào)電纜

機(jī)組電纜根據(jù)機(jī)組電流結(jié)合上級(jí)斷路器選用YJV-(3×185+2×95)電纜,空調(diào)循環(huán)泵及地埋循環(huán)泵根據(jù)電流及斷路器分別選用兩根YJV-(4×10)電纜,空調(diào)補(bǔ)水泵及地埋補(bǔ)水泵分別選用1根YJV-(4×2.5)電纜。機(jī)組信號(hào)電纜采用RVVP屏蔽電纜,信號(hào)電纜應(yīng)根據(jù)機(jī)房現(xiàn)場情況選擇合適的敷設(shè)方式,要求敷設(shè)整齊、美觀、布置協(xié)調(diào)。信號(hào)線的敷設(shè)必須遠(yuǎn)離機(jī)組電纜,避免因電磁干擾影響電子與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常工作。電纜及信號(hào)電纜敷設(shè)到設(shè)備時(shí)應(yīng)留有合理余量。

3.2 電纜橋架敷設(shè)平面圖的繪制

根據(jù)主機(jī)電纜、循環(huán)泵電纜及補(bǔ)水泵電纜的截面積及橋架敷設(shè)的容量要求,結(jié)合現(xiàn)場施工敷設(shè)的難度,主橋架選用400 mm×200 mm規(guī)格橋架,至循環(huán)泵橋架選用300 mm×200 mm橋架,其他控制設(shè)備選擇穿JDG管敷設(shè),可滿足施工要求。電纜橋架施工時(shí)需嚴(yán)格按照相關(guān)施工及驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行。電纜橋架敷設(shè)平面圖如圖4所示。

圖4 電纜橋架敷設(shè)平面圖

3.3 機(jī)房接地設(shè)計(jì)

機(jī)房接地設(shè)計(jì)需做好如下幾點(diǎn):① 本項(xiàng)目中的等電位連接帶、金屬橋架、金屬管道、設(shè)備外殼、建筑物金屬結(jié)構(gòu)等均與局部的等電位連接箱連接后,再接至大樓的等電位連接箱。② 配電柜與機(jī)組間采用6 mm2的銅導(dǎo)線與等電位聯(lián)結(jié)帶的連接線相連接。③ 電纜橋架間連接板的兩端做好接地,接地線截面積大于2.5 mm2。④ 所有進(jìn)出機(jī)房的管道和電纜的鋼帶以及配電室的PE線應(yīng)就近與等電位線連接,做成總等電位聯(lián)結(jié)。⑤ 施工完畢必須進(jìn)行實(shí)測,接地電阻不大于1 Ω,否則應(yīng)加大接地極直至達(dá)到本設(shè)計(jì)要求。⑥ 機(jī)房等電位連接選用40 mm×4 mm的接地扁鋼。扁鋼沿墻面固定時(shí)距離地面垂直距離25 cm,距離墻面水平距離2 cm,露出地面以上部分刷黃綠雙色漆作為色標(biāo)。

4 末端電氣的設(shè)計(jì)

末端電氣主要包含主題教育館、綜合實(shí)踐活動(dòng)樓、食堂、報(bào)告廳和宿舍樓的空調(diào)電氣設(shè)計(jì),主要為風(fēng)機(jī)盤管和變風(fēng)量機(jī)組配電。風(fēng)機(jī)盤管均為單相設(shè)備,設(shè)計(jì)時(shí)力求三相平衡,每個(gè)回路的風(fēng)機(jī)盤管功率相近。變風(fēng)量機(jī)組為三相設(shè)備,采用常規(guī)的斷路器加接觸器加熱過載繼電器控制方式。每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管接線盒接線5根,高、中、低風(fēng)速各用1根,接地線1根,零線1根。為了便于后續(xù)空調(diào)開關(guān)的安裝與檢修,各火線、零線、高、中、低速控制線線色分別一致。風(fēng)機(jī)盤管控制開關(guān)安裝距地面1.4 m,要求敷設(shè)整齊、美觀,與室內(nèi)布置協(xié)調(diào),不得影響或破壞結(jié)構(gòu)。電控箱要做好絕緣措施,構(gòu)成不導(dǎo)電環(huán)境。一些電氣設(shè)備正常并不帶電,但絕緣層損壞后會(huì)漏電帶來危害,所以這類設(shè)備的金屬外殼、穿線金屬管、支架等均應(yīng)可靠接地?？照{(diào)開關(guān)接線盒在墻體內(nèi)需提前做好預(yù)埋套管。配電箱位置盡量選擇在中間位置,以方便布線,而且可以節(jié)省材料,節(jié)約造價(jià)。箱內(nèi)漏電開關(guān)須經(jīng)檢驗(yàn)合格后使用,漏電保護(hù)動(dòng)作電流為30 mA,動(dòng)作時(shí)間為0.1 s。

5 系統(tǒng)自控部分的設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行,建立一套熱泵機(jī)房自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、現(xiàn)場PLC節(jié)能控制柜以及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、通信等設(shè)備組成。監(jiān)控中心可采集和控制系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù),包括進(jìn)出口溫度、吸排氣壓力、流量、熱泵機(jī)組、水泵、電動(dòng)閥等,并實(shí)現(xiàn)各主要設(shè)備的遠(yuǎn)程起?？刂?。監(jiān)控中心作為熱泵系統(tǒng)的總調(diào)度中心,實(shí)時(shí)采集各種熱泵參數(shù)和各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,提高管理服務(wù)水平。地源熱泵系統(tǒng)PLC柜主要由PLC控制器、數(shù)字量模塊、模擬量模塊、繼電器、接觸器、觸控屏及數(shù)據(jù)接口等元器件組成。該部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)的控制邏輯由該部分實(shí)現(xiàn),主要負(fù)責(zé)采集溫度、壓力、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等各種參數(shù),遠(yuǎn)程控制相應(yīng)熱泵機(jī)組、水泵以及電動(dòng)閥的起停。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

機(jī)房電氣控制如下:① 機(jī)組根據(jù)系統(tǒng)水溫度控制開機(jī)臺(tái)數(shù),機(jī)組進(jìn)口電動(dòng)閥與空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵聯(lián)動(dòng),即開1臺(tái)水泵時(shí)1臺(tái)機(jī)組2個(gè)電動(dòng)閥開啟。② 空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵的控制根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷大小控制起停數(shù)量。③ 地埋側(cè)循環(huán)泵的控制根據(jù)負(fù)荷大小控制起停數(shù)量,可與機(jī)組聯(lián)動(dòng)。④ 空調(diào)集水器處電動(dòng)閥按時(shí)間控制起停。⑤ 地埋側(cè)分水器處電動(dòng)閥按負(fù)荷及起停時(shí)間共同控制起停。⑥ 其余均按公司常規(guī)設(shè)計(jì)。

智能控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)可通過現(xiàn)場的觸摸屏查看,也可以通過監(jiān)控中心的電腦查看,方便快捷,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開關(guān)機(jī),監(jiān)視機(jī)組、循環(huán)泵、電動(dòng)閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài),在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用圖形化界面顯示設(shè)備狀態(tài),隨時(shí)檢測機(jī)組空調(diào)側(cè)進(jìn)出水溫度、地埋側(cè)進(jìn)出水溫度,自動(dòng)生成運(yùn)行溫度報(bào)表。管理員身份可進(jìn)入后臺(tái)修改內(nèi)部參數(shù),可選擇周日或周六是否開啟,自由點(diǎn)擊進(jìn)行切換?？照{(diào)自控系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 空調(diào)自控系統(tǒng)界面

6 結(jié) 語

地源熱泵系統(tǒng)作為建筑設(shè)備中的重要部分,做好其電氣設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這需要關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài),把握行業(yè)方向,做好電氣的配電與控制,選擇好電器元件、電力電纜,做好機(jī)組、水泵及各類溫度、流量、壓力等參數(shù)的綜合調(diào)控,使系統(tǒng)更加方便而且節(jié)能。