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(shí)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(shì)，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(shí)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(jiǎn)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(shí)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(huì)對(duì)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(duì)水源熱泵系統(tǒng)的研究具有重要意義。為此需要對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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?，是保持冷凝器中高壓、蒸發(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(duì)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(gè)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(huì)造成地面下沉，并且在回灌之前應(yīng)對(duì)回灌水進(jìn)行監(jiān)控或處理，保證不會(huì)對(duì)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(gè)方面優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)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?？照{(diào)低溫運(yùn)轉(zhuǎn)。在冬天供熱時(shí)，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(gè)方面是水源熱泵機(jī)組在使用過程中，沒有機(jī)械振動(dòng)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(jì)

原有的可編程控制器僅能實(shí)現(xiàn)邏輯、時(shí)序控制等功能，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)計(jì)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(yùn)算，有的PIC 還支持PID 路反饋?zhàn)詣?dòng)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(shí)特征出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行分析，并給出一個(gè)合理的控制方案以及建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，在控制過程中隨著現(xiàn)實(shí)條件的改變，對(duì)控制參考點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，然后通過一個(gè)執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)組件的水量都是一樣的，因此可以通過取平均數(shù)值來計(jì)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(shí)現(xiàn)一攝氏度以上，有的時(shí)候存在二攝氏度到三攝氏度的變化，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元的精準(zhǔn)調(diào)控，就必須對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)單個(gè)組件的出水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)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(huì)被開啟，而沒有啟動(dòng)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(shí)際運(yùn)行組件臺(tái)數(shù)、總組件數(shù)的情況下，并假定每個(gè)模塊的水流量都是一樣的，能夠計(jì)算出每個(gè)運(yùn)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(gè)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(duì)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(dòng)化控制程序中，設(shè)定PID 反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)回路，采用PID 指針來進(jìn)行流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在實(shí)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(shí)候，組件投入的數(shù)目很小，冷卻水出口的溫度也會(huì)隨之改變，此時(shí)，可以通過減少地下水泵的頻率來減少水流量，從而實(shí)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(dú)立的控制方式，無論哪個(gè)從站發(fā)生了什么故障，都不會(huì)對(duì)其他主站的運(yùn)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(shí)現(xiàn)信息共享。主從兩個(gè)站之間通信的主要內(nèi)容包含以下兩個(gè)方面。

第一個(gè)方面是從主站到從站：冷凍、制熱信號(hào)，啟、停信號(hào)，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(gè)方面是從從站到主站：機(jī)組運(yùn)行信號(hào)，人工、自動(dòng)信號(hào)，水出口溫度，排氣溫度，壓縮機(jī)電流，故障警報(bào)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(gè)字節(jié)即可完成整個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS422 接口，通過通信將整個(gè)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(cè)組態(tài)軟件相結(jié)合，可以對(duì)單元進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，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(yùn)轉(zhuǎn)功率調(diào)節(jié)。利用外部天氣條件，對(duì)冷卻塔中的水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)速，從而達(dá)到對(duì)冷卻塔中水量的控制。同時(shí)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(shí)，應(yīng)及時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)水泵工作頻率，實(shí)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(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，也就是利用溫度傳感器對(duì)冷卻水、冷水的水溫進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)之后輸送至自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過與設(shè)置值相對(duì)比，通過PID 計(jì)算，確定變頻調(diào)速設(shè)備的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化的方法，可以發(fā)揮其自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。第一個(gè)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(gè)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(yùn)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(gè)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(duì)較高溫度冷水回流水進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以對(duì)溫差進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用一個(gè)溫度傳感設(shè)備測(cè)定水溫，然后與自動(dòng)化控制系統(tǒng)、變頻設(shè)備、冷水泵形成閉環(huán)，對(duì)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(huì)對(duì)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(dòng)的時(shí)候，電機(jī)以工頻的速度運(yùn)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(jí)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(dòng)需求來決定一個(gè)冷泵變頻器運(yùn)行的最小運(yùn)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(dòng)化控制系統(tǒng)、變頻設(shè)備、冷卻水泵形成一個(gè)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(gè)不變的數(shù)值，這樣就可以在保證系統(tǒng)冷卻需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目標(biāo)。

技術(shù)

集散控制：集散控制模型是計(jì)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(tái)電腦組合在一起，用總線將各臺(tái)電腦連接起來，以達(dá)到對(duì)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(chǎng)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(duì)各設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。中央管理單元作用是對(duì)各個(gè)分散的裝置進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控與管理?，F(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)循環(huán)水回用水溫的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(cè)，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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能。管理級(jí)的中心計(jì)算機(jī)和周邊設(shè)備，可以利用接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)管理人員可以利用中心計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行預(yù)定進(jìn)度設(shè)置，查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，制作打印報(bào)表，并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行及時(shí)處理，在需要的時(shí)候，還可以利用中心計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)、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(duì)節(jié)能環(huán)保的認(rèn)識(shí)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(duì)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。