水源热泵节能控制系统的设计.docx

    水源热泵节能控制系统的设计    （ZhengzhouCollegeofAnimalHusbandryEngineering，Zhengzhou450011，China）摘要：水源热泵用地下恒温水源代替冷却塔，具有高效节能的特性但在实际应用中，还应充分考虑压缩机、水泵等高耗能设备的节能问题本文重点阐述水源热泵系统中压缩机的变能级和水泵的变流量节能原理、节能控制方案和控制系统的设计Abstract:Watersourceheatpump（WSHP）replacescoolingtowerswithundergroundconstanttemperaturewater,andhasthecharacteristicsofhighefficiencyenergy-saving.Butenergy-savingproblemsforhighenergyconsumeequipmentssuchasofmainengine,freezingandcoolingwaterpumpsshouldbeconsideredintheutilization.Thispaperexpatiatescompressorofvariablelevelandpumpvariableflowenergyprinciple,thecontrolschemeofenergy-savingclosed-loop,andthedesignofcontrolsysteminWSHP.关键词：水源热泵；控制系统；节能Keywords:watersourceheatpump；controlsystem；energy-saving：TH3：A：1006-4311（2011）10-0026-020引言水源热泵技术是一项新型的建设节能技术，是一项人与社会、人与自然和谐共处的技术，被国际能源组织推荐为首选的可再生能源技术之一[1]。

水源热泵利用地下水的低品位能量，在夏季制冷时，地下水作为冷却水吸收冷凝器中的热量，而冬季取暖时，地下水则在蒸发器中放出热量用过的地下水又重新回灌到地下，既维持了地下水源，又不污染空气水源热泵系统以水能为主，电能为辅，能耗较低，具有可持续发展的潜能在工程应用中，空调公司主要是购买国内外著名厂家的压缩机、冷凝器和蒸发器等系统设备，根据用户需要自主开发自动控制系统，形成水源热泵机组销售在相同的系统硬件条件下，为了进一步提高节能效果和市场占有率，应尽可能减少主机、循环泵和水源泵等主要耗能设备的用能，即开发节能控制系统本文充分考虑水源热泵系统中主机、水源泵和循环泵等高耗能设备的节能问题，基于PLC、变频器和触摸屏技术，完成了对压缩机的Y-△低能级启动和恒温差变能级运行控制、水源泵与循环泵的低频启动和恒温差变流量运行控制实践证明，整个设计过程是完全可行的、可靠的，实现了从电路到水路的高效节能控制1节能控制原理1.1压缩机的节能原理压缩机属于恒转矩负载，其特点是在拖动电动机的不同转速n下，负载的阻转矩T基本恒定，即T=常数，负载的阻转矩T与转速n的高低无关负载的功率P和转矩T、转速n之间的关系式是：P=Tn/9550当其转速为n1，消耗功率为P1；当其转速为n2时，消耗功率为P2。

则：P1/P2＝n1/n2若n1为额定转速时，P1就是消耗的额定功率也就是说，当压缩式循环水机组运用变频器控制电功机进行调速时，降低工作频率就可以节约电能，降低频率的百分数就是降低功率的百分数从理论上分析，这种节能效果还是十分可观的，实际上对每个中央空调系统的压缩式循环水机组如何控制还应进行具体的分析[2]本系统选用目前在水源热泵系统中广泛使用的螺杆式压缩机，螺杆式压缩机具有能量调节机构，通过控制能量电磁阀的开关，可以使压缩机工作在25%、50%、75%和100%等不同的能级，从而实现对压缩机的节能控制1.2水泵的节能原理水泵属于二次方律负载其负载的阻转矩T和转速n的二次方成正比，即：T=KTn2式中，KT为二次方律负载的转矩常数负载的功率P与转速n的关系式为：P=Tn/9550=KPn3式中，KP是二次方律负载的功率常数上式表明，水泵消耗的功率是与其转速立方成正比的当用变频器控制水泵运行时，变频器输出频率为f1，水泵转速为n1，流量为Q1，水泵电动机的轴功率为P1；变频器输出频率为f2，水泵转速为n2，流量为Q2，水泵电动机的轴功率为P2则：Q1：Q2=n1：n2P1：P2=（n1：n2）3由上式可以看出，电动机消耗的功率与其转速的3次方成正比，降低转速运行时，可以节约大量的电能。

因此，当水源热泵系统需要的水流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量就会明显减小，这就是变流量节能原理[3]根据变流量节能原理，在水源热泵的水循环系统（水源泵和循环泵）中接入变频系统，利用变频技术调节电机转速以调节流量的变化，从而达到调节温度的目的整个系统处于平滑调节状态，稳定性好，节能效果突出2节能控制方案2.1压缩机的恒温差变能级节能控制方案采用电磁阀配合PLC组成控制单元，用温度传感器对循环水回水温度T4进行采样，并转换成电信号（一般为4-20mA，0-10V等）后送至PLC，通过PLC将该信号与设定值T0（制冷模式下为12℃，制热模式下为40℃）进行比较再作PID运算后，决定电磁阀的通断情况，以达到改变压缩机的运行能级，从而达到节能目的压缩机采用Y-△延时（5秒）低能级（25%）启动，然后以5秒的间隔，能级实现从25%到50%，再到75%，最后到100%的变化高能级运行5分钟后，采用恒温差变能级控制使用无符号单字比较指令CMP（020）对D240（T4-T0）与D105（5℃）、D103（3℃）和D101（1℃）中的数据先后分别进行无符号16位BIN的比较，比较结果为大于，则状态标志P_GT为ON，压缩机分别在100%能级、75%能级和50%能级运行，否则，压缩机低能级运行，从而实现变能级节能控制。

2.2水泵的恒温差变流量节能控制方案采用变频器配合PLC组成控制单元，其中水源泵和循环泵均采用温度自动闭环调节，即用温度传感器对水源水和循环水的出水与回水温度分别进行采样，并转换成电信号（一般为4-20mA，0-10V等）后送至PLC，通过PLC分别将出水与回水温度信号进行比较（温差控制在5℃以内）再作PID运算后，决定变频器输出频率，以达到改变水源泵和循环泵转速，从而达到节能目的水源泵采用低频启动，延时30秒后循环泵启动，延时5分钟后，采用恒温差变频控制使用无符号单字比较指令CMP（020）对D221（T2-T1）与D107（7℃）和D105（5℃）中的数据先后分别进行无符号16位BIN的比较，比较结果为大于，则状态标志P_GT为ON，水源泵高频或中频运行，否则，水源泵继续低频运行，从而实现变流量节能控制循环泵也采用低频启动，延时2分钟后压缩机启动，延时5分钟后，采用恒温差变频控制使用无符号单字比较指令CMP（020）对D243（T4-T3）与D107（7℃）和D105（5℃）中的数据先后分别进行无符号16位BIN的比较，比较结果为大于，则状态标志P_GT为ON，循环泵高频或中频运行，否则，循环泵继续低频运行，从而实现变流量节能控制。

3控制系统设计3.1水源热泵系统设备以郑州某高校图书馆水源热泵系统为例，有2台螺杆压缩机（1台备用），每台压缩机输入功率65kW，每台压缩机带有3个能量调节电磁阀，使压缩机能分别工作在25%，50%，75%和100%能级每台压缩机带有排气温度过高保护，内部温度过高保护，高、低压力保护，油压差保护，均为开关量系统有循环泵2台（1台备用），功率均为11kW；水源泵2台（1台备用），功率均为15kW每台泵各匹配一个变频器系统设水流开关2个，分别用于控制循环水水流和水源水水流，2个水流开关中任何一个断开时，压缩机都不能起动这些设备和保护元件都需要检测其运行状态和起、停控制，都是开关量3.2控制系统硬件配置[4]根据系统分析和控制要求，系统要求的输入点数有：系统启动/停机按扭2点、水泵热保护2点、出水温度过低保护1点、供油温度保护1点、压缩机内部高温保护1点、压缩机高/低压保护2点、压缩机过流保护3点、水流保护2点、反向运转保护1点共有输入开关量15点，温度模拟量输入4点系统要求的输出点数有：水源泵驱动5点、循环泵驱动5点、压缩机驱动6点共计输出开关量16点根据系统特性及以上系统要求的输入/输出点数，考虑20%的裕量，选择日本欧姆龙（OMRON）公司生产的PLC系列产品组成控制系统，包括1台PLC（型号CP1H-XA40DR-A）、1台触摸屏（型号NT5Z-ST121B-EC）、4台变频器（3G3RV系列）、1台温度传感器单元（型号CPM1A-TS102），如图1所示。

触摸屏通过RS-232C串行通讯接口(加选件板CP1W-CIF01)连接到PLC，变频器通过多速段端子连接到PLC的开关量输出端，温度传感器单元通过其所带的扩展I/O连接电缆和PLC相连，4路Pt100直接连接在温度传感器单元的接线端触摸屏和PLC均通过外围设备USB端口与电脑连接3.3控制系统软件设计[5]系统是以回水温度为控制目标的，通过控制压缩机的能级及水泵的流量，实现回水温度的预期目标水源热泵节能控制系统程序流程图如图2所示本程序主要解决现场各泵的启停、切换、模拟量的处理和与触摸屏通信数据的处理等因此可以将程序分为4个部分：系统初始化程序、模拟量处理程序、触摸屏通信程序和主控程序当主控程序运行时，检测到温差超过触屏设定值后，程序自动跳入中断处理子程序，及时调整变频器输出频率，从而提高或降低水泵的转速，使水源热泵的温度固定在一定的范围内，满足人体舒适感要求此外，在程序的编制过程中要优先考虑水泵的运行状态及互锁关系，避免烧坏变频器同时要设定好RS-485端口的属性值和波特率，还要确保程序的地址值和触屏按钮的地址一一对应，否则通过触屏按钮无法控制系统的运行触摸屏系统主要由系统设置、PID参数设置、运行模式选择、温度显示、故障报警及复位等界面组成。

在触摸屏上可以通过运行模式进行软启动PLC去控制电机的运转，PID参数可以用小键盘进行设置并控制处理，在温度界面还能够显示出进出水口相应的变化，如果出现报警信号，就可以根据报警复位系统在第一时间知道报警人所在的方位，并以最快的速度安排现场人员前去解决问题，大大的提高了解决问题的效率，实现一体化的现场管理4结束语此系统于2009年正式投入使用，在运行过程中，对压缩机采用恒温差变能级运行控制，对水源泵与循环泵采用恒温差变流量运行控制，根据实际需要负荷的变化自动调节压缩机的能级和水泵的转速，从而达到节能的效果，年节电率可达到40%左右对压缩机采用Y-△低能级启动和对水源泵与循环泵采用低频启动，实现对电机的软启动和软停止，减少对电网和设备的电气及机械冲击，还可以减少设备的磨损及维护，延长主泵电机的使用寿命采用触摸屏监控，一方面可以很方便地设置系统参数和调整工况，另一方面能实现对系统运行情况的实时监控总之，合理利用PLC、变频调速和触摸屏控制技术，对水源热泵系统中的压缩机和水泵等高能耗设备进行有效控制，已成为实现系统有效节能的主要途径，受到了很多中央空调企业和用户的青睐，具有很广阔的应用前景参考文献：[1]庄迎春.直埋式地源热泵系统技术研究及应用[D].吉林：吉林大学，2002：3-26.[2]陈晓锋.中央空调变流量节能运行控制系统的研究与实现[D].重庆：重庆大学，2006：12-68.[3]赵太新.变频调速在中央空调系统节能中的应用[J].节能技术，2008，1（1）：60-63.[4]胡晓波.基于PLC和触摸屏的水源热泵节能控制系统设计[D].河南：河南科技大学，2009：11-。