地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動控制設(shè)計

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地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量自動控制設(shè)計  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題，通過具體工程說明土壤源熱泵溫差變流量控制的設(shè)計過程  關(guān)鍵詞   土壤源熱泵     溫差控制   自控設(shè)計  0 前言  空調(diào)系統(tǒng)自動控制應(yīng)該能夠采集，檢測空調(diào)裝置的工藝參數(shù)，如壓力，溫度，流量等，同時自動調(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)對裝置自動控制。空調(diào)系統(tǒng)兩個水系統(tǒng)采用變流量控制，已經(jīng)受到越來越多人的重視。  1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制方式  對空調(diào)系統(tǒng)兩個水系統(tǒng)循環(huán)泵進行變流量控制，是在 一定的控制方式下實現(xiàn)的。常見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)計中應(yīng)用最多的一種方案，從泵的運行特性出發(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 ,很難實現(xiàn)對外循環(huán)泵的壓差變流量控制。因為隨著水溫度的上升或降低 ,系統(tǒng)的壓力也會隨著增大或減小 ,這使得控制變得撲朔迷離。找到一個符合系統(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)負荷的變化 ,供 /上 ,節(jié)能 效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對內(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 為實時負荷量；△ 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。  溫差變流量控制沒有考慮系統(tǒng)管網(wǎng)特性 ,可能會造成系統(tǒng)運行不穩(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)。由于機組本身具有根據(jù)負荷變化進行自動調(diào)節(jié)的功能 ,采用該控制方法會出現(xiàn)與機組控制不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象 ,甚至?xí)绊憴C組的 正常工作 . 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)變流量控制  通過對壓差變流量控制，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，控制不容易實現(xiàn)。溫差變流量控制節(jié)能效果明顯，容易實現(xiàn)，但對系統(tǒng)管網(wǎng)特性有一定的要求。對于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用溫差變流量控制能夠?qū)蓚€水系統(tǒng)循環(huán)泵進行變流量控制，特別是對于外循環(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 管總長度為 20000 米。單孔設(shè)計孔深為 125 米，則總孔數(shù)為 80 個。 末端采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng) 300負荷  臺 ,變頻器 2 臺 . 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荷相  差不大，空調(diào)末端管網(wǎng)特性相對穩(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  和機組工作狀況相結(jié)合的控制方式。對蒸發(fā)器出口溫度的控制是基于防止地下水溫度過低出  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)場儀表選擇  儀表選擇應(yīng)注意儀表的精度，測量范圍和輸出信號的類型。儀表精度代表儀表的靈敏程度，根據(jù)所需被測參數(shù)的精度要求選擇；測量范圍應(yīng) 在被測參數(shù)的波動范圍內(nèi)；輸出信號的類型有電流信號（如 4～ 20,電壓信號（如 0～ 5V）和電阻信號（如鉑電阻 46～ 100Ω）。一般來說電流電壓信號易受周圍環(huán)境的干擾，但對接受信號的板卡要求不高；而電阻信號不易受周圍環(huán)境的干擾，但對接受信號的板卡要求很高。  本工程溫度采集采用 列一體化溫度變送器，精度± 5％，測量范圍 0～ 80℃，輸出信號 4～ 20力采集采用 列壓力變送器，精度 測量范圍 0～ 出信號 4～ 20量采集采用 1151壓變送器，精度 1％， 測量范圍 出信號 4～ 20 熱泵機組冷凝器端電動閥選取  本工程采用的熱泵機組有三臺壓縮機對應(yīng)三個冷凝器，熱泵機組可以根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器的進 /出口水溫和通過的水流量對壓縮機進行多級卸載。如果在壓縮機停止工作的情況下，與其對應(yīng)的冷凝器還有水流通過時，會造成能源的浪費。  假設(shè)冬季某一時刻 1， 2 號壓縮機停止工作， 3 號壓縮機正常工作下，設(shè)冷凝器流量 G，1， 2， 3 號冷凝器流量都為 G/3,冷凝器進口溫度 口溫度 3 號冷凝器吸熱量 Q， 3號冷凝器出口溫度 . Q=G(- ()=G(1)/  +2 因 > 以 >  因而在三個冷凝器出口處安裝電動閥，與熱泵機組壓縮機聯(lián)動，壓縮機工作與其對應(yīng)的冷凝器上電動閥打開，壓縮機停在工作與其對應(yīng)的冷凝器上電動閥關(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。這樣選取會造成變頻器選取不當，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。  控制設(shè)備選取  工控機  采用  控機 ,可采集包括溫濕度、壓力、流量、功率和液位傳感器變送的  120 路標準信號  ,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 / 服務(wù)器的  件  ,它是一種分布式自動化和控制軟件。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、報警、控制、數(shù)據(jù)歸檔和報表等功能。不僅能夠顯示數(shù)據(jù)的實時趨勢曲線  ,而且可以顯示數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線。軟件系統(tǒng)提供了一套  言函數(shù)集  ,可以讀寫系統(tǒng)中的任一數(shù)據(jù)點  ,軟件系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)為我們編寫解決自動控制問題的軟件提供了工具  ,可以用  速開發(fā)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用程序。其處理能力可以滿 足各種類型的配置和處理策略  ,并可方便地進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)場模擬信號轉(zhuǎn)換成 12位數(shù)字信號，直接供計算機接受。實現(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，主要用于接受計算機送來的二進制數(shù)字信號，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。  模擬量輸入調(diào)理板 3 塊，主要用于接受現(xiàn)場輸來的電流信號，并輸入到模擬量輸入接口板中進行模擬量向數(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輸?shù)阶冾l器的控制端。  開關(guān)量輸入調(diào)理板 1 塊，主要用于接受現(xiàn)場的開 /關(guān)信號。  開關(guān)量輸出調(diào)理板 1 塊，主要是對現(xiàn)場開 /關(guān)控制進行。  線性電源 4 塊，用于給儀表和板卡送電。  全隔離信號變送器 3 個，主要用于對現(xiàn)場輸入輸出信號進行隔離，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，必須保證熱泵機組正常工作。一般機組在非正常工作下會出現(xiàn)蒸發(fā)器水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進水 溫度過高故障，蒸發(fā)器進水溫度失效，蒸發(fā)器出水溫度失效，壓縮機高壓故障和壓縮機低壓故障等故障。  土壤源熱泵在冬季變流量運行時，應(yīng)保證機組不出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障，壓縮機高壓故障，壓縮機低壓故障。當機組蒸發(fā)器出口溫度低于機組蒸發(fā)器最低出口溫度時，就會出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰故障；當冷凝器流量低于機組最小冷凝器流量時，就會出現(xiàn)壓縮機高壓故障；當蒸發(fā)器流量低于機組最小蒸發(fā)器流量時，就會出現(xiàn)壓縮機低壓故障；因而在變流量運行時應(yīng)對蒸發(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行設(shè)置。  蒸發(fā)器出口最低溫度的設(shè)置參照機組說 明，熱泵機組允許蒸發(fā)器出口最低溫度為 4℃。  蒸發(fā)器最小流量的設(shè)置可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障。此時蒸發(fā)器的流量就是機組允許的蒸發(fā)器最小流量。通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障此時蒸發(fā)器流量為 h. 冷凝器最小流量的設(shè)置可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障。此時冷凝器的流量機組允許的冷凝器最小流量。通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障此時冷凝器流量為 h. 土壤源熱泵在夏季變流量運行時，應(yīng)保證機組不出現(xiàn)蒸發(fā)器進水溫 度過高故障，壓縮機高壓故障，壓縮機低壓故障。當機組蒸發(fā)器進口溫度低于機組蒸發(fā)器最低進口溫度時，就會出現(xiàn)蒸發(fā)器進水溫度過高故障；  熱泵機組允許蒸發(fā)器進口最低溫度為 21℃。  通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機低壓故障此時蒸發(fā)器流量為 h. 通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率直到機組出現(xiàn)壓縮機高壓故障此時冷凝器流量為 h. 軟件編程  繪制系統(tǒng)流程圖，利用 帶的編程工具進行編輯控制程序。                                   圖 9 冬季系統(tǒng)流程圖  圖 10 現(xiàn)場數(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，必須保證熱泵機組正常工作。一般機組在非正常工作下會出現(xiàn)蒸發(fā)器  水流故障，蒸發(fā)器結(jié)冰故障，蒸發(fā)器進水溫度過高故障，蒸發(fā)器進水溫度失效，蒸發(fā)器出水  溫度失效，壓縮機高壓故障和壓縮機低壓故障等故障。  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  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 ,2003,(1):15~18 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)與電力機械 ,2004,(1):16－20 4 孟彬彬 ,等 . 部分負荷下一次泵水系統(tǒng)變流量 可行性分析 . 全國暖通空調(diào)制冷 2002 年學(xué)術(shù)年會論文集 ,2002:695~698 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)兩級泵水系統(tǒng)變頻調(diào)速的自控設(shè)計 . 暖通空調(diào)， 2001，（ 6） :51－ 54. 8 羅新梅 ,等 . 水泵變流量運行性能分析  華東交通大學(xué)學(xué)報， 2004，（ 8） :19～21