地埋管地源热泵空调系统变流量自动控制设计郝庆1 张子平1 王宏伟 2 李永1河北工程大学1河北科技师范学院2摘要 分析了压差变流量控制，温差变流量控制的原理和存在问题，通过具体工程说明土壤源热泵温差变流量控制的设计过程关键词 土壤源热泵 温差控制 自控设计0 前言空调系统自动控制应该能够采集，检测空调装置的工艺参数，如压力，温度，流量等，同时自动调节某些工艺参数，使之恒定或按一定规律变化，还应对装置自动控制。空调系统两个水系统采用变流量控制，已经受到越来越多人的重视。1 土壤源热泵空调系统变流量控制方式对空调系统两个水系统循环泵进行变流量控制，是在一定的控制方式下实现的。常见的变流量控制方式有压差变流量控制，温差变流量控制。1.1 压差变流量控制压差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供/回水干管两侧压差的稳定。它是目前工程设计中应用最多的一种方案，从泵的运行特性出发,充分发挥水泵效率，采用这种控制方式下的空调系统运行稳定. 图1 压差变流量控制流程图基本原理：设空调系统供、回水干管两端压差分别为P1、P0; HB为循环水泵的扬程;Q0管网总流量;S1为冷源侧管网阻抗:S2负荷侧管网阻抗:S管网总阻抗; H压差设定值。供、回水干管两端压差： P1 - P0 HB - S1 Q02 (1)循环水泵扬程： HB S Q02 (2)则有： H P1 - P0 （S- S1）Q02S2 Q02 (3) 由于只考虑到系统的管网特性,为考虑系统的热力特性,不能反映系统负荷的变化,不能保证室内温/湿度要求,节能效果不明显。 对泵的要求很高,要求泵的性能曲线陡峭, 性能曲线平滑的效果不明显。 对于土壤源热泵空调系统,外循环管网阻抗变化不大,很难实现对外循环泵的压差变流量控制。因为随着水温度的上升或降低,系统的压力也会随着增大或减小,这使得控制变得扑朔迷离。找到一个符合系统管网特性的H设定值较困难。1.2 温差变流量控制温差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供/回水温差稳定。从空调系统热力特性出发,能保证室内温/湿度要求，能够反映系统负荷的变化,供/回水温差可达到4.5以上,节能效果明显，能够实现对内/外循环泵变流量控制,适用于土壤源热泵变流量控制。图2 温差变流量控制流程图基本原理：Q为实时负荷量；T空调系统供、回水温差；Q0管网总流量。Q Q0T/0.86 (4)保持T恒定，Q0随着Q的变化而变化。温差变流量控制没有考虑系统管网特性,可能会造成系统运行不稳定。因而只适用于管网特性基本不变或变化不大的空调系统。由于机组本身具有根据负荷变化进行自动调节的功能,采用该控制方法会出现与机组控制不协调的现象,甚至会影响机组的正常工作.1.3 土壤源热泵空调系统变流量控制 通过对压差变流量控制，温差变流量控制分析可以看出，压差变流量控制节能效果不明显，控制不容易实现。温差变流量控制节能效果明显，容易实现，但对系统管网特性有一定的要求。对于土壤源热泵空调系统采用温差变流量控制能够对两个水系统循环泵进行变流量控制，特别是对于外循环泵，由于外循环管网特性基本稳定，S（管网阻抗）基本不变，采用温差变流量控制方式效果更明显。2 工程实例某办公楼地下2层,地上7层,总建筑面积15000m2。采用土壤源热泵中央空调系统, 地下埋管总长度为20000米。单孔设计孔深为125米，则总孔数为80个。末端采用风机盘管加新风系统.设计冷负荷1300kw,热负荷1200kw.采用热泵机组1台,变频器2台.2.1 控制方案的制定该工程采用DDC(direct digital control)直接数字化控制系统。由于办公楼各支路负荷相差不大，空调末端管网特性相对稳定。冬季末端空调水系统采用室内循环供/回水温差,室内循环供水温度和机组工作状况相结合的控制方式，为了保证室内温度要求，控制方案中考虑了室内循环供水温度。对于地下埋管循环水系统采用地下埋管供/回水温差,蒸发器出口温度和机组工作状况相结合的控制方式。对蒸发器出口温度的控制是基于防止地下水温度过低出现结冰考虑的。图3 冬季内循环变流量控制环路 图4 冬季外循环变流量控制环路2.2 控制设备选择2.2.1 现场仪表选择仪表选择应注意仪表的精度，测量范围和输出信号的类型。仪表精度代表仪表的灵敏程度，根据所需被测参数的精度要求选择；测量范围应在被测参数的波动范围内；输出信号的类型有电流信号（如420MA）,电压信号（如05V）和电阻信号（如铂电阻46100）。一般来说电流电压信号易受周围环境的干扰，但对接受信号的板卡要求不高；而电阻信号不易受周围环境的干扰，但对接受信号的板卡要求很高。本工程温度采集采用RWB系列一体化温度变送器，精度5，测量范围080，输出信号420MA；压力采集采用WQSBP800系列压力变送器，精度0.1，测量范围01.2MP，输出信号420MA；流量采集采用1151DP差压变送器，精度1，测量范围31.1186.8KP，输出信号420MA；2.2.2 热泵机组冷凝器端电动阀选取本工程采用的热泵机组有三台压缩机对应三个冷凝器，热泵机组可以根据蒸发器和冷凝器的进/出口水温和通过的水流量对压缩机进行多级卸载。如果在压缩机停止工作的情况下，与其对应的冷凝器还有水流通过时，会造成能源的浪费。假设冬季某一时刻1，2号压缩机停止工作，3号压缩机正常工作下，设冷凝器流量G，1，2，3号冷凝器流量都为G/3,冷凝器进口温度T1，出口温度T2，3号冷凝器吸热量Q，3号冷凝器出口温度T1.Q=G(T1- T1)/(0.86*3)=G(T2- T1)/0.86得T2=( T1+2 T1) 因T1 T1,所以T1 T2.这就会造成能源的浪费。因而在三个冷凝器出口处安装电动阀，与热泵机组压缩机联动，压缩机工作与其对应的冷凝器上电动阀打开，压缩机停在工作与其对应的冷凝器上电动阀关闭，2.2.3 变频器选择变频器选择主要是其功率的选择。变频器功率一般按泵功率的1.1倍选取。这样选取会造成变频器选取不当，变频器可能在泵在额定电流下不能正常工作，出现电流过载的故障。应按照水泵的额定电流和水泵功率相结合选取。如水泵功率为55KW，额定电流为101A，按泵功率选取功率大于W1=55*1.1=60.5W的变频器，按额定电流选取功率大于W2=1.732*380*101=66.5KW的变频器.最后选取功率大于66.5KW的变频器。本工程选取变频器FRN45P11S-4CX和FRN75P11S-4CX两台。2.2.4 控制设备选取2.2.4.1 工控机采用 ADVANTECH工控机,可采集包括温湿度、压力、流量、功率和液位传感器变送的 120 路标准信号 ,并且还能拓展采集路数。软件系统采用INTELLUTION基于 PC机的分布式处理客户/ 服务器的 FIX 软件 ,它是一种分布式自动化和控制软件。其基本功能是数据采集和数据处理 ,还具有监视、监控、报警、控制、数据归档和报表等功能。不仅能够显示数据的实时趋势曲线 ,而且可以显示数据的历史趋势曲线。软件系统提供了一套 Visual Basic语言函数集 ,可以读写系统中的任一数据点 ,软件系统的开放式结构为我们编写解决自动控制问题的软件提供了工具 ,可以用 Visual Basic 快速开发与现场数据相关的应用程序。其处理能力可以满足各种类型的配置和处理策略 ,并可方便地进行分布式处理或集中式处理.2.2.4.2 其它设备模拟量输入接口板1块，主要用于将模拟量输入调理板调理的现场模拟信号转换成12位数字信号，直接供计算机接受。实现A/D模拟量向数字量的转换。供显示器显示现场采集的温度，压力和流量数据。模拟量输出接口板1块，主要用于接受计算机送来的二进制数字信号，直接经D/A转换芯片转换成模拟电压输出给模拟量输出调理板，用于输出控制变频器的电流信号。模拟量输入调理板3块，主要用于接受现场输来的电流信号，并输入到模拟量输入接口板中进行模拟量向数字量的转换。模拟量输出调理板1块，主要用于接受模拟量输出接口板的电压信号输到变频器的控制端。开关量输入调理板1块，主要用于接受现场的开/关信号。开关量输出调理板1块，主要是对现场开/关控制进行。线性电源4块，用于给仪表和板卡送电。全隔离信号变送器3个，主要用于对现场输入输出信号进行隔离，防止电磁干扰。2.3 控制参数的获取和软件编程2.3.1 控制参数的获取2.3.1.1 内/外循环泵流量G与控制信电流I关系图5 内循环流量频率关系图 图6 外循环流量频率关系图内循环流量G与频率N关系：F = a + bG （a = -0.805， b =0.17 ） （5）外循环流量G与频率N关系：F = a + bG + cG2 (a =-0.0293, b =-0.76, c =0.0349) （6）图7 内循环频率与控制电流关系图 图8 外循环频率与控制电流关系图内循环频率N与控制电流I关系：I = a + bF （a = 3.75，b = 0.326 ） （7）外循环频率N与控制电流I关系：I = a + bF （a = 3.52, b =0.33 ） （8）由（5）（6）（7）（8）得：内循环泵控制电流I与流量G关系：I = a + bG, (a = 2.03, b = 0.0649 ) （9）外循环泵控制电流I与流量G关系：I = a + bG + cG2 (a =-4.95,b =0.29,c =-0.08419) （10）2.3.1.2 其它参数的选定温差变流量控制，必须保证热泵机组正常工作。一般机组在非正常工作下会出现蒸发器水流故障，蒸发器结冰故障，蒸发器进水温度过高故障，蒸发器进水温度失效，蒸发器出水温度失效，压缩机高压故障和压缩机低压故障等故障。土壤源热泵在冬季变流量运行时，应保证机组不出现蒸发器结冰故障，压缩机高压故障，压缩机低压故障。当机组蒸发器出口温度低于机组蒸发器最低出口温度时，就会出现蒸发器结冰故障；当冷凝器流量低于机组最小冷凝器流量时，就会出现压缩机高压故障；当蒸发器流量低于机组最小蒸发器流量时，就会出现压缩机低压故障；因而在变流量运行时应对蒸发器出口最低温度，蒸发器最小流量和冷凝器最小流量进行设置。 蒸发器出口最低温度的设置参照机组说明，热泵机组允许蒸发器出口最低温度为4。 蒸发器最小流量的设置可通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机低压故障。此时蒸发器的流量就是机组允许的蒸发器最小流量。通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机低压故障此时蒸发器流量为96.4M3/h. 冷凝器最小流量的设置可通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机高压故障。此时冷凝器的流量机组允许的冷凝器最小流量。通过