地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動(dòng)控制設(shè)計(jì)
<p>地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動(dòng)控制設(shè)計(jì) 摘要 分析了壓差變流量控制，溫差變流量控制的原理和存在問(wèn)題，通過(guò)具體工程說(shuō)明土壤源熱泵溫差變流量控制的設(shè)計(jì)過(guò)程 關(guān)鍵詞 土壤源熱泵 溫差控制 自控設(shè)計(jì) 0 前言 空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制應(yīng)該能夠采集，檢測(cè)空調(diào)裝置的工藝參數(shù)，如壓力，溫度，流量等，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)某些工藝參數(shù)，使之恒定或按一定規(guī)律變化，還應(yīng)對(duì)裝置自動(dòng)控制。空調(diào)系統(tǒng)兩個(gè)水系統(tǒng)采用變流量控制，已經(jīng)受到越來(lái)越多人的重視。 1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制方式 對(duì)空調(diào)系統(tǒng)兩個(gè)水系統(tǒng)循環(huán)泵進(jìn)行變流量控制，是在 一定的控制方式下實(shí)現(xiàn)的。常見(jiàn)的變流量控制方式有壓差變流量控制，溫差變流量控制。 壓差變流量控制 壓差變流量控制是用變頻器改變泵的流量 ,保持空調(diào)系統(tǒng)供 /回水干管兩側(cè)壓差的穩(wěn)定。它是目前工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的一種方案，從泵的運(yùn)行特性出發(fā) ,充分發(fā)揮水泵效率，采用這種控制方式下的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定 . 圖 1 壓差變流量控制流程圖 基本原理：設(shè)空調(diào)系統(tǒng)供、回水干管兩端壓差分別為 S 管網(wǎng)總阻抗 ; H 壓差設(shè)定值。 供、回水干管兩端壓差： 02 (1) 循環(huán)水泵揚(yáng)程： S (2) 則有： H （ 1） 02 (3) 由于只考慮到系統(tǒng)的管網(wǎng)特性 ,為考慮系統(tǒng)的熱力特性 ,不能反映系統(tǒng)負(fù)荷的變化 ,不能保證室內(nèi)溫 /濕度要求 ,節(jié)能效果不明顯。 對(duì)泵的要求很高 ,要求泵的性能曲線陡峭 , 性能曲線平滑的效果不明顯。 對(duì)于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng) ,外循環(huán)管網(wǎng)阻抗變化不大 ,很難實(shí)現(xiàn)對(duì)外循環(huán)泵的壓差變流量控制。因?yàn)殡S著水溫度的上升或降低 ,系統(tǒng)的壓力也會(huì)隨著增大或減小 ,這使得控制變得撲朔迷離。找到一個(gè)符合系統(tǒng)管網(wǎng)特性的 H 設(shè)定值較困難。 溫差變流量控制 溫差變流量控制是用變頻器改變泵的流量 ,保持空調(diào)系統(tǒng)供 /回水溫差穩(wěn)定。從空調(diào)系統(tǒng)熱力特性出發(fā) ,能保證室內(nèi)溫 /濕度要求，能夠反映系統(tǒng)負(fù)荷的變化 ,供 /上 ,節(jié)能 效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi) /外循環(huán)泵變流量控制 ,適用于土壤源熱泵變流量控制。 圖 2 溫差變流量控制流程圖 基本原理： Q 為實(shí)時(shí)負(fù)荷量； T 空調(diào)系統(tǒng)供、回水溫差； Q T/(4) 保持 T 恒定， 的變化而變化。 溫差變流量控制沒(méi)有考慮系統(tǒng)管網(wǎng)特性 ,可能會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因而只適用于管網(wǎng)特性基本不變或變化不大的空調(diào)系統(tǒng)。由于機(jī)組本身具有根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能 ,采用該控制方法會(huì)出現(xiàn)與機(jī)組控制不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象 ,甚至?xí)绊憴C(jī)組的 正常工作 . 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制 通過(guò)對(duì)壓差變流量控制，溫差變流量控制分析可以看出，壓差變流量控制節(jié)能效果不明顯，控制不容易實(shí)現(xiàn)。溫差變流量控制節(jié)能效果明顯，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)特性有一定的要求。對(duì)于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用溫差變流量控制能夠?qū)蓚€(gè)水系統(tǒng)循環(huán)泵進(jìn)行變流量控制，特別是對(duì)于外循環(huán)泵，由于外循環(huán)管網(wǎng)特性基本穩(wěn)定， S（管網(wǎng)阻抗）基本不變，采用溫差變流量控制方式效果更明顯。 2 工程實(shí)例 某辦公樓地下 2 層 ,地上 7 層 ,總建筑面積 15000用土壤源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng) , 地下埋 管總長(zhǎng)度為 20000 米。單孔設(shè)計(jì)孔深為 125 米，則總孔數(shù)為 80 個(gè)。 末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng) 300負(fù)荷 臺(tái) ,變頻器 2 臺(tái) . 控制方案的制定 該工程采用 接數(shù)字化控制系統(tǒng)。由于辦公樓各支路負(fù)荷相 差不大，空調(diào)末端管網(wǎng)特性相對(duì)穩(wěn)定。冬季末端空調(diào)水系統(tǒng)采用室內(nèi)循環(huán)供 /回水溫差 ,室內(nèi) 循環(huán)供水溫度和機(jī)組工作狀況相結(jié)合的控制方式，為了保證室內(nèi)溫度要求，控制方案中考慮 了室內(nèi)循環(huán)供水溫度。對(duì)于地下埋管循 環(huán)水系統(tǒng)采用地下埋管供 /回水溫差 ,蒸發(fā)器出口溫度 和機(jī)組工作狀況相結(jié)合的控制方式。對(duì)蒸發(fā)器出口溫度的控制是基于防止地下水溫度過(guò)低出 現(xiàn)結(jié)冰考慮的。 圖 3 冬季內(nèi)循環(huán)變流量控制環(huán)路 圖 4 冬季外循環(huán)變流量控制環(huán)路 控制設(shè)備選擇 現(xiàn)場(chǎng)儀表選擇 儀表選擇應(yīng)注意儀表的精度，測(cè)量范圍和輸出信號(hào)的類(lèi)型。儀表精度代表儀表的靈敏程度，根據(jù)所需被測(cè)參數(shù)的精度要求選擇；測(cè)量范圍應(yīng) 在被測(cè)參數(shù)的波動(dòng)范圍內(nèi)；輸出信號(hào)的類(lèi)型有電流信號(hào)（如 4 20,電壓信號(hào)（如 0 5V）和電阻信號(hào)（如鉑電阻 46 100）。一般來(lái)說(shuō)電流電壓信號(hào)易受周?chē)h(huán)境的干擾，但對(duì)接受信號(hào)的板卡要求不高；而電阻信號(hào)不易受周?chē)h(huán)境的干擾，但對(duì)接受信號(hào)的板卡要求很高。 本工程溫度采集采用 列一體化溫度變送器，精度± 5，測(cè)量范圍 0 80，輸出信號(hào) 4 20力采集采用 列壓力變送器，精度 測(cè)量范圍 0 出信號(hào) 4 20量采集采用 1151壓變送器，精度 1， 測(cè)量范圍 出信號(hào) 4 20 熱泵機(jī)組冷凝器端電動(dòng)閥選取 本工程采用的熱泵機(jī)組有三臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)三個(gè)冷凝器，熱泵機(jī)組可以根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn) /出口水溫和通過(guò)的水流量對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行多級(jí)卸載。如果在壓縮機(jī)停止工作的情況下，與其對(duì)應(yīng)的冷凝器還有水流通過(guò)時(shí)，會(huì)造成能源的浪費(fèi)。 假設(shè)冬季某一時(shí)刻 1， 2 號(hào)壓縮機(jī)停止工作， 3 號(hào)壓縮機(jī)正常工作下，設(shè)冷凝器流量 G，1， 2， 3 號(hào)冷凝器流量都為 G/3,冷凝器進(jìn)口溫度 口溫度 3 號(hào)冷凝器吸熱量 Q， 3號(hào)冷凝器出口溫度 . Q=G(- ()=G(1)/ +2 因 > 以 > 因而在三個(gè)冷凝器出口處安裝電動(dòng)閥，與熱泵機(jī)組壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)，壓縮機(jī)工作與其對(duì)應(yīng)的冷凝器上電動(dòng)閥打開(kāi)，壓縮機(jī)停在工作與其對(duì)應(yīng)的冷凝器上電動(dòng)閥關(guān)閉， 變頻器選擇 變頻器選擇主要是其功率的選擇。變頻器功率一般按泵功率的 選取。這樣選取會(huì)造成變頻器選取不當(dāng)，變頻器可能在泵在額定電流下不能正常工作，出現(xiàn)電流過(guò)載的故障。應(yīng)按照水泵的額定電流和水泵 功率相結(jié)合選取。如水泵功率為 55定電流為 101A，按泵 功 率選 取功 率大 于 5*變 頻器 ，按 額定 電流 選取 功率 大 于80*101=變頻器 變頻器。 本工程選取變頻器 臺(tái)。 控制設(shè)備選取 工控機(jī) 采用 控機(jī) ,可采集包括溫濕度、壓力、流量、功率和液位傳感器變送的 120 路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) ,并且還能拓展采集路數(shù)。 軟件 系統(tǒng)采用 于 的分布式處理客戶(hù) / 服務(wù)器的 件 ,它是一種分布式自動(dòng)化和控制軟件。其基本功能是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 ,還具有監(jiān)視、監(jiān)控、報(bào)警、控制、數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表等功能。不僅能夠顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 ,而且可以顯示數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)曲線。軟件系統(tǒng)提供了一套 言函數(shù)集 ,可以讀寫(xiě)系統(tǒng)中的任一數(shù)據(jù)點(diǎn) ,軟件系統(tǒng)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)為我們編寫(xiě)解決自動(dòng)控制問(wèn)題的軟件提供了工具 ,可以用 速開(kāi)發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用程序。其處理能力可以滿(mǎn) 足各種類(lèi)型的配置和處理策略 ,并可方便地進(jìn)行分布式處理或集中式處理 . 其它設(shè)備 模擬量輸入接口板 1 塊，主要用于將模擬量輸入調(diào)理板調(diào)理的現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 12位數(shù)字信號(hào)，直接供計(jì)算機(jī)接受。實(shí)現(xiàn) A/D 模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。供顯示器顯示現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度，壓力和流量數(shù)據(jù)。 模擬量輸出接口板 1 塊，主要用于接受計(jì)算機(jī)送來(lái)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，直接經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出給模擬量輸出調(diào)理板，用于輸出控制變頻器的電流信號(hào)。 模擬量輸入調(diào)理板 3 塊，主要用于接受現(xiàn)場(chǎng)輸來(lái)的電流信號(hào)，并輸入到模擬量輸入接口板中進(jìn)行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 模擬量輸出調(diào)理板 1 塊，主要用于接受模擬量輸出接口板的電壓信號(hào)輸?shù)阶冾l器的控制端。 開(kāi)關(guān)量輸入調(diào)理板 1 塊，主要用于接受現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi) /關(guān)信號(hào)。 開(kāi)關(guān)量輸出調(diào)理板 1 塊，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi) /關(guān)控制進(jìn)行。 線性電源 4 塊，用于給儀表和板卡送電。 全隔離信號(hào)變送器 3 個(gè)，主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，防止電磁干擾。 控制參數(shù)的獲取和軟件編程 控制參數(shù)的獲取 內(nèi) /外循環(huán)泵流量 G 與控制信電流 I 關(guān)系 圖 5 內(nèi)循環(huán)流量頻率關(guān)系圖 圖 6 外循環(huán)流量頻率關(guān)系圖 內(nèi)循環(huán)流量 G 與頻率 N 關(guān)系： F = a + （ a = b = ） （ 5） 外循環(huán)流量 G 與頻率 N 關(guān)系： F = a + (a = b = c = （ 6） 圖 7 內(nèi)循環(huán)頻率與控制電流關(guān)系圖 圖 8 外循環(huán)頻率與控制電流關(guān)系圖 內(nèi)循環(huán)頻率 N 與控制電流 I 關(guān)系： I = a + （ a = b = （ 7） 外循環(huán)頻率 N 與控制電流 I 關(guān)系： I = a + （ a = b =） （ 8） 由（ 5）（ 6）（ 7）（ 8）得： 內(nèi)循環(huán)泵控制電流 I 與流量 G 關(guān)系： I = a + (a = b = （ 9） 外循環(huán)泵控制電流 I 與流量 G 關(guān)系： I = a + (a =b =c = （ 10） 其它參數(shù)的選定 溫差變流量控制，必須保證熱泵機(jī)組正常工作。一般機(jī)組在非正常工作下會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進(jìn)水 溫度過(guò)高故障，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機(jī)高壓故障和壓縮機(jī)低壓故障等故障。 土壤源熱泵在冬季變流量運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證機(jī)組不出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障，壓縮機(jī)高壓故障，壓縮機(jī)低壓故障。當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)器出口溫度低于機(jī)組蒸發(fā)器最低出口溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障；當(dāng)冷凝器流量低于機(jī)組最小冷凝器流量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障；當(dāng)蒸發(fā)器流量低于機(jī)組最小蒸發(fā)器流量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障；因而在變流量運(yùn)行時(shí)應(yīng)對(duì)蒸發(fā)器出口最低溫度，蒸發(fā)器最小流量和冷凝器最小流量進(jìn)行設(shè)置。 蒸發(fā)器出口最低溫度的設(shè)置參照機(jī)組說(shuō) 明，熱泵機(jī)組允許蒸發(fā)器出口最低溫度為 4。 蒸發(fā)器最小流量的設(shè)置可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障。此時(shí)蒸發(fā)器的流量就是機(jī)組允許的蒸發(fā)器最小流量。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障此時(shí)蒸發(fā)器流量為 h. 冷凝器最小流量的設(shè)置可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障。此時(shí)冷凝器的流量機(jī)組允許的冷凝器最小流量。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障此時(shí)冷凝器流量為 h. 土壤源熱泵在夏季變流量運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證機(jī)組不出現(xiàn)蒸發(fā)器進(jìn)水溫 度過(guò)高故障，壓縮機(jī)高壓故障，壓縮機(jī)低壓故障。當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)口溫度低于機(jī)組蒸發(fā)器最低進(jìn)口溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度過(guò)高故障； 熱泵機(jī)組允許蒸發(fā)器進(jìn)口最低溫度為 21。 通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)低壓故障此時(shí)蒸發(fā)器流量為 h. 通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機(jī)組出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓故障此時(shí)冷凝器流量為 h. 軟件編程 繪制系統(tǒng)流程圖，利用 帶的編程工具進(jìn)行編輯控制程序。 圖 9 冬季系統(tǒng)流程圖 圖 10 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集 3 結(jié)論 變頻器應(yīng)按照水泵的額定電流和水泵功率相結(jié)合選取。 差變流量控制，必須保證熱泵機(jī)組正常工作。一般機(jī)組在非正常工作下會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器 水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度過(guò)高故障，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度失效，蒸發(fā)器出水 溫度失效，壓縮機(jī)高壓故障和壓縮機(jī)低壓故障等故障。 壤源熱 泵系統(tǒng)內(nèi) /外循環(huán)泵內(nèi)循環(huán)采用供 /回水溫差 ,內(nèi)循環(huán)供水溫度和機(jī)組工作狀況 相結(jié)合的控制方式 ,能夠使內(nèi) /外循環(huán)供 /回水溫差顯著提高 ,節(jié)能效果明顯。 參考文獻(xiàn) 1 胥海倫 碩士學(xué)位論文，西安交通大學(xué)， 2002 2 侯立泉，等 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào) ,2003,(1):1518 3 王寒棟 . 空調(diào)冷凍水泵變頻控制方式分析與比較 . 制冷空調(diào)與電力機(jī)械 ,2004,(1):1620 4 孟彬彬 ,等 . 部分負(fù)荷下一次泵水系統(tǒng)變流量 可行性分析 . 全國(guó)暖通空調(diào)制冷 2002 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ,2002:695698 5 李震 ,等 . 固定流量系統(tǒng)改為變流量系統(tǒng)的探討 . 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)， 2004， (4):47 50 6 李彬 ,等 . 壓差控制下 統(tǒng)特性及節(jié)能分析 . 建筑熱能通風(fēng)空調(diào) ,2005,(2):44 47 7 李錫沖 . 空調(diào)兩級(jí)泵水系統(tǒng)變頻調(diào)速的自控設(shè)計(jì) . 暖通空調(diào)， 2001，（ 6） :51 54. 8 羅新梅 ,等 . 水泵變流量運(yùn)行性能分析 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004，（ 8） :1921</p>
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