基于地源热泵技术的变频恒压供水空调系统

 　摘要:文章阐明了地源热泵的工作原理,分析了系统中空调系统的结构与运行方式,进而设计出水温空调的供水管路系统,在分析几种控制方案式的基础上,从热泵机组用户的角度出发,在利用现场总线网络进行能量分配控制的框架下,应用变频器实现对水温空调系统的恒压供水,以提高资源利用率。文章还研究并实施了基于电接点压力表进行变频恒压供水控制的两种方法,给出了所选用变频器的在两种接入方法中的参数设置。 

　　关键词:地源热泵;变频器;恒压供水;空调系统 

　　中图分类号:TU832文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)23-0062-02 　　 

　　地源热泵是以地源能(土壤、地下水、地表水、低温地热水或尾水)作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源系统,热泵通过消耗少量高品位能源,把热量由低温级上升到高温级,从而达到采暖、制冷或供应热水的目的。它用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式,能有效改善城市大气环境,节约高品位能源。其中,水源热泵须从地下打出深度为80～600m的深井,将温度大约为13～30℃的井水取出,进行能量交换后,再将其回灌到相同水层的地层中,从而实现能量的循环处用。 

　　在地源热泵系统中的关键技术主要有热泵机组集成技术、热泵系统网络化控制技术、回灌技术以及空调系统集成应用技术等。热泵控制系统是整个热泵的核心,它在控制热泵机组的运行的同时,还要采集与之相关联的设备运行信息,以便进行实时控制,合理调配用户端的能量供应。目前国内常见的热泵控制系统,还是以PLC为核心的控制系统为主。基于单片机控制的系统也有,但是主要是数字量的开关输出控制。虽然热泵系统很节能,但是后续应用系统的控制存在缺陷,降低节能效果。如:清晨时分,出风口很多处于关闭状态,此时机组还是满负荷运行,显然是浪费能量。对于不同的运行环境,热泵各时段的使用量均有所不同,并且各环节的配合上也有所讲究,因此,根据各节点运行状态,研究出不同用户下的机组最佳运行方法,对热泵机组及其控制对象进行智能化调控具有重要应用价值。本文从热泵机组用户的角度出发,在利用现场总线网络进行能量分配控制的框架下,应用变频器实现对水温空调系统的恒压供水,设计出一种基于地源热泵技术的空调供水控制系统,从而在提高资源利用率的同时,减少高品位能源的消耗。 　　 

　　一、地源热泵能量交换与空调系统管路设计 　 

　　空调系统是热泵应用的核心之一,本设计中,空调系统与热水供应系统均依赖双储能系统(图1)所提供的换热介质工作,通过CAN总线网络实现对各系统的运行控制与状态监测。图1设计了一种基于热泵机组的双储能缓冲装置,它也是一种热能和取暖或制冷同供的系统。通过双储能缓冲装置实现对地下水源供给系统的控制,夏季尽可能在储能装置中进行能量交换,从而能有效提高能源的利用率和热泵机组的利用率,并尽可能减少对地下水源的利用,减缓回灌井的老化。由图1可知,两个水箱(储能装置)分别用来在夏天储存冷、热源,而在冬天储存热、热源,根据用户的使用需要通过智能化控制使装置有效工作,加大能源利用率,提高热泵机组的利用率,同时节约能源。 

　　其工作原理为:在夏天需要同时制热水和制冷时,机组优先使用两水箱中的冷、热源,从而在制取热水的同时产生冷水,用冷水供给空调系统,实现一机两用,提高其运行的能效比,任何一方不足时,可通过智能控制方式从地下水中提取能量。 

　　在冬天,同时供热水和供暖,此时,从地下水中提供热量分别进入两个储水箱中,两储水箱均作为供热装置。 

　　根据用户端房间的多少配置空调器的数量,设该系统由N台空调器组成,这些空调器须由房间人员决定是否运行及运行时的风机转速,因此他们的运行要求各不相同,并且开停时间也不一致。这就使得该系统成为一个大变流量的恒压供水系统,在管路设计中,为了防止水锤对测试仪器产生的冲击,并对供水压力进行缓冲,本设计中采用一种储气式缓冲装置。在系统中设置一个溢流阀,增加一个工频运行小泵,这样,在需求量较小时,由小泵供水以避免变频大泵低频运行,如果用户很少时,通过溢流阀进行溢流以保证供水压力的恒定。其管路与相关装置如图2所示。 　 

　　二、空调控制系统分析与供水方案的确定 　 

　　空调控制系统主要由两部分组成,即:空调的风量自动调节系统和变频恒压供水控制系统。在空调风量控制系统的设计中,使每一个空调器作为一个CAN总线的一个节点,并与热泵控制系统共同组成一个CAN总线控制网络,实时进行风量的调节与控制,同时,房间换热风机还可由室内人员自行确定与调整。在供水系统中,除了在小流量状况下,主控制节点根据空调器的使用情况,通过对压力参数分析,结合变频器的最低运行频率,通过CAN总线网络进行大小泵运行切换外,空调供水系统在变频器的运行时,可作为一个相对独立的系统进行设计。 

　　使用变频器进行恒压供水的控制策略有多种,而通过压力传感器进行信号采集比较多见。如在多泵控制系统中,由压力传感器反馈的水压信号(4-20MA或0-5V)直接送入PLC的A/D口,设定给定压力值,PID参数值,并通过PLC计算何时需切换泵的操作,完成系统控制,系统参数在实际运行中调整,使系统控制响应趋于完整。单泵运行时,用压力变送器将压力信号转换成模拟信号送入变频器进行恒压PID控制,但这几种方案的价格均较高,有时传感器在工作一段时间后易产生零漂移,需重新标定等。根据水温空调系统的特点,只要将压力控制在一定的范围内即可满足功能要求,它对系统控制精度要求不高,因此,本文采用电接点压力表对变频器进行控制,实现在一定压力范围内的恒压供水。 　　 

　　三、变频器的参数设置与信号接入分析 　 

　　由企业根据用户的最大使用量确定供水量,进而确定水泵功率和变频器的功率,本文选用invt-P9-011T4型11kW变频器。根据变频器的性能,在总体方案下可采用两种方法进行简单恒压供水控制:其一是通过变频器的扩展功能,实时调节频率设定值来升、降输出频率,进而调节水泵的转速,压力达到设定范围时,保持相应的输出频率,即在一定范围内保持运转频率,从而对水泵进行控制;其二是直接应用频率器的转速追踪再起动功能,让变频器在设定压力所对应的频率范围内追踪起动与停止运行过程循环交潜,从而在一定输出频率范围内实现恒压供水。 

　　将水泵出水总管的压力作为系统的控制目标,选用0～0.6MPa量程的电接点压力表进行信息号采集,并对变频器的工作状态进行控制。由于电接点压力表的基本结构是在压力表的基础上附加一套电接点装置, 可通过实测压力指针带动动触头,与上、下限压力调节指针上的定触头组成了两对常开触点,这样可将压力设定在一定的范围内,当压力小于下限,下限接点动作,当压力高于上限时,上限接点动作,用两种信号组合对变频器的升速与降速进行控制,可完成供水压力的闭环控制,达到基本稳定供水压力和节能的目的。方法1接入变频器时需通过外接模拟量输入电位器设定运行频率,这样可人工调整泵的最佳运行频率,增强泵的流量适应性。方法2只需接入接起停点即可完成对泵的控制。两种方法的变频器参数设置分别见表1、表2: 

　　通过实际安装与运行,两种方法均可满足功能要求,其中方法1稳定性较好,如果用户数不发生大的变化,变频器工作在稳的频率范围内,压力波动小。用户数变化时,也能及时调整工作频率;采用方法2时,接线简单,但变频器一直工作在停车和追踪起动循环状态,压力在设定的范围内呈波动状态,电能损耗较方法1稍大。因此,在 

　　正常产品中采用了方法1进行控制。 　 

　　四、结语 　 

　　交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能,具有高效率、易维护等特点,已在恒压供水系统中有许多成功应用。有些场合不需要严格PID调节就能达到控制要求,利用变频器自带的一些简单控制功能就可以实现,这样可最大限度节约成本,提高设备的安全、可靠性。 

　　参考文献 

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　　[2]唐义锋,冯建雨.变频技术在空气压缩站中的应用与抗干扰[J].机床电器,2007,(2). 

　　[3]唐义锋,等.一种基于热泵机组的双储能缓冲装置,专利号:ZL2008 2 0034665.4. 

　　[4]唐义锋,赵俊生.维修电工与实训[M].化工出版社,2006. 

　　[5]张燕宾,胡纲衡,唐瑞球.实用变频调速技术培训教程[M].机械工业出版社,2003.