某项目中地源热泵空调自动化控制研讨

【摘 要】地源热泵类型的中央空调系统的应用初期，对其恒温差进行控制时产生的能源浪费较为严重。为了使得能源浪费状况得到改善，地源热泵空调自动化控制理念应运而生。在自动化控制系统中，通过温度的监测自动化、能源控制阀通断自动化，进而优化热源供应系统，减少能源浪费。本文以实际某项目为案例，对地源热泵空调自动化控制进行研讨，旨在推动地源热泵空调的应用发展。

【关键词】地源热泵空调;系统设计;自动化控制;系统运行

中图分类号： TU831.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）21-0113-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.051

0 引言

能源应用不仅是当代热门话题，更是未来人类面临的挑战之一，因此如何保证能源应用的环保性、安全性，是现阶段较为探讨的重点。相对于传统的中央空调而言，地源热泵中央空调在环保、节能等方面，都具有更大的优点。譬如，在地源热泵空调的使用过程中，消耗2kw的电能，却能获得8到10kw的热能，较高的能源利用率使其在近年来被广泛应用，然而在实际使用的过程中，以自动化控制为代表的设计问题却屡见不鲜。

1 地源热泵中央空调节能控制系统特点

地源热泵中央空调控制系统，是使用地表浅层的热能以及太阳能等进行能源的供应，其本身具有无污染以及绿色等特点，在使用的过程中所表现的状态较为坚固。实际应用中，拥有高品质动力就能满足应用需求，且在系统进行能量的转换中，不会产生化学反应，能够使得温室气体的排放得到减少。我国南方在进行空调的使用中，因为制冷使用比制热使用更为多，便会发生泥土的热能累积问题。应用节能控制系统，对于浅层地表热能可以进行转换，达成环保要求，也能实现经济效益。除此之外，节能控制系统中，无需配置加热及冷却类辅助系统，使得整体系统的构件上较为少，养护维修更为便利。地源热泵中空调的节能控制系统，较传统型中央空调，在操作上更为便捷，具有较为先进的自动化程度，系统的可靠性极强。

2 項目概况

在本次项目工程中，地下为一层，地上则为六层，建筑高度为27.8m，总建筑面积达2799m2。楼房使用中央空调，在地下一层进行地源热泵集中机房的配置，并使用两台地源热泵机组进行空调冷热水的制取，新风则是装设在集中机房内的新风空调机组进行提供。本次地源热泵中央空调控制系统项目，是根据工程进行配置及定制，目的为节能控制。进行设计的过程中，主要依据《智能建筑设计标准》、《自动化仪表安装工程质量检验评定标准》等标准规范，并符合相关设计要求。

作者主要对地源热泵空调控制系统施工中的安装监管以及调试工作，并通过对相应传感器以及执行的配合，来实现地源热泵空调进行冷热的自动化控制;并对控制模式以及控制范围、故障报警功能等，进行控制系统的结构图绘制;参与至PLC接收以及处理模拟量统计、PLC输出的数字控制量统计;且对PLC主机通讯模块、A/D转换模块、扩展模块、触摸屏、电脑监控主机进行选取;参照控制流程图、控制方案，使用PLC编程软件进行了梯形图的绘制。

3 系统组成及运行情况

3.1 组成部分

3.1.1 设备组成

在本次系统中空调冷、热源系统共有2台地源热泵机组，一者编号为GSHP-B-1、GSHP-B-2，地源变频侧水泵3台;二者编号为CTP-B-1～CTP-B-3，空调侧水泵3台，两台投入使用一台作为备用;三者编号为CHP-B-1～ CHP-B-3，在此机组中空调侧CHP-B-3水泵为备用泵，机组与水泵一一对应。

3.1.2 构成作用

地源热泵空调的控制系统主要由三个部分组成，分别为能量的采集，能量的提升以及能量的释放。能量的采集是对大地土壤中的能量进行采集，主要依据各地的不同地热能源情况而言，采集部分主要有地源测水循环构成[3]。该系统的运行作用主要是加快地下水系统与空调系统间的能量置换速率。通过能量提升，将完成采集的能量交换到空调的空间内，该部分由冷却塔以及换热器机组，以及一次侧水循环和热泵机组系统共同构成。在运行的过程中，热泵机组的作用便是将能量从地源的一侧将其转移至空调的一次侧;一侧水循环进行工作时，可以促进热泵机组的循环水系统的换热作用，换热器机组、冷却塔机组适用于不同的季节，若二次侧温度无法达成相关的使用标准，系统便会自行进行二次侧水的降温或者加热操作。能量的释放作用，则主要是对整体地源空调使用过程中产生的空气问题进行调节，其构件含有二次侧水循环系统以及位于空调末端风机盘管。二次侧水循环也被称为用户侧的水循环系统，其涵盖了冬季采暖循环水以及夏季冰冻水。自动定压补水则是独立于系统之外的部分，一般在地源侧管以及一次侧管管内发生缺失情况时，及时进行补水。

3.2 运行情况分析

本次系统中运行中，对阀门进行切换V1～V9，GSHP-B-1机组电动阀V10、V12，GSHP-B-2机组电动阀V9、V11。在工作模式按夏季、冬季分类，冬季模式运行的过程中，冷却侧只能选择地源，PLC发出信号，地源下的电动阀V1～V6开启，机组电动阀V10、V12开启，300s后开启水泵CTP-B-1、CHP-B-1，480s后开启GSHP-B-1机组。从而开启了制冷模式。温度变送器将空调侧回水主管上的温度检测值送入PLC，PLC按照程序设计，在温度A1大于设定温度A2时超过1800s时PLC发出加载控制信号，开启机组电动阀V10、V12，300s后开启水泵CTP-B-2、CHP-B-2，480s后开启GSHP-B-2机组，当温度A1小于设定温度A2时超过1800s，PLC发出减载控制信号，关闭GSHP-B-2机组，300S后关闭水泵CTP-B-2、CHP-B-2，470S后关闭机组电动阀V10、V12。当温度传感器检测到地源温度检测通过压力传感器检测空调主管供、回水压力，PLC按照程序设计，完成压差△T1计算，通过压差△T1与设定压差△T2比较，PLC来控制空调供回水主管之间电动调节阀的开度。

4 控制方案

4.1 自动化控制

4.1.1 控制总设计

地源空调的控制系统在一次侧进行流量的控制，进而对温度传感器的温度传输至PLC，PLC在接收到信号以后，对信号进行识别以后对软启动器进行指令下达，软启动器根据指令对一次侧水泵的运行数量进行控制。与此同时，控制系统会根据供回水的温差，对地源侧以及一次侧和热泵机组中的水泵运行数量进行相应调整。二次侧系统则会使用恒压差的控制方法，通过差压变送器以及变频器构成的负反馈闭环控制系统，测得相应的压力差值，并将具体的数值传输至PID以及PLC处理，在PID成功对压力差值进行了数字量的信号转换后，会将数字信号传输至变频器。由此便可以使得二次侧水泵在运行的数量及频率得到改变，使得与实际情况更为相符，持续对其中存在的浪费情况进行规避，极大提升了整体系统的运行准确性。一般条件下，回水、供水流量难以达到设定标准的情况下，可以使用旁通管，进而对水量进行调节，促进二次侧的供水以及回水达到流量平衡，从而满足相关要求。为了实现联机控制，一般采用总线网络通讯方式，实现本地控制，同时设置触摸屏显示功能，便于操作。

4.1.2 一次侧变温差控制设计

一次侧水循环在进行设计过程中，水泵的容量往往是按照最大化热负荷来展开的，设计中对于天气变化以及季节的变换造成的环境变换，且一天中的不同时段也会存在温差较大的情况，由此使得能源在损耗上存在一定的浪费，但此类现象完全是可以进行避免的。在本次系统进行设计过程中，为了使得节能在效果上更为突出，系统能够外界温度发生的变化来进行温差的控制改变，也就是在外界环境中的温度基础上，进行变温差的补偿控制。在传统的供回水控制中，一般会通过温控阀实现控制，即对恒温差进行调整，尽管环境温度有所变化，但供水、回水的温度将被控制在固定数值，分别为55℃、45℃，由此使得温差△t=55-45=10。在本次系统进行改良这种问题得到一定改观。在本次系统的设计中，根据环境湿度补偿进行变温差的控制，也就是对室外环境温度进行反应，从而对出水的温度进行调整。在外界温度过于高时，会使用大温差控制，抑制供热量;而在外界环境温度过于低时，则会使用小温差的控制方式，增大供热量。由上述方法，减小外界环境对室内温度的影响程度，降低室内温度波动情况，从而在保证整体环境舒适性的同时，降低能耗。譬如，在外界环境的温度处于零下二十度时，可以将出水的温度设定为五十五摄氏度。在环境温度发生变化时，出水的温度也会同时发生线性变化;环境温度如果在5℃时，则将出水的温度控制在45℃。在此情况下，由于控制要求约束，使得Δt=（55+45）/2-45=5。除此之外，为了使得舒适性要求得到满足，出水的温度可以按照用户的需求进行控制，并不需要根据线性条件进行变化。

4.2 人机交互

对系统的操作和检测系统控制柜设置了一台液晶触摸屏（HMI）作为人机界面，从HMI上可以监控系统的工作状况，如机组、水泵运行情况，各传感器测得的温度值、压力值，可以选择工作模式，如，夏季、冬季、过渡季。此外，还可以通过人机界面实现多重功能：对地源、冷却塔的运行模式进行控制、主机优先级选用、运行参数修改及设定，供回水压差、空调回水温度等。

4.3 上位机监控

在地源热泵中央空调系统中，上位机使用MCGS工控组态监控软件，通过监控主机即可实现对系统的操作。由于使用MCGS工控组态软件进行了系统的组态设计，监控主机与触摸屏可实现功能基本一致，但是监控主机可以形象的观察到各设备的运行状态。采用MCGS工控组态，意味着工业计算机软硬件平台构成的集成系统的良好适应性，传统封闭式系统已经被取代。只要对组态进行利益，就可以对画面、数据等参数进行监控，并以系统状态图、趋势曲线、报表输出等方式进行表达。只要上位机与主站相连接，通过监控系统即可以读取相关数据，对设备进行控制、监控。

5 结论

在进行控制方案的设计过程中，对自动化控制进行了翔实的分析，这也是控制方案设计中最为重要的部分，其次上位机监控和人机交互中的设计也于控制方案的实效性有着关键作用。在此次地源热泵中空调控制系统投入使用后，能源的利用率得到了显著提升，可为相似工程提供参考。

【参考文献】

[1]曹振华，郭建军.地源热泵空调控制系统控制方法的选择分析[J].农家参谋，2017（17）：184-184.

[2]曹振华.地源热泵空调系统的控制仿真研究[J].制冷与空调（四川），2017，31（3）：313-316.

[3]宗嘉财.基于S7-200 SMART的地源热泵控制系统设计[J].自動化应用，2018（1）：27-28.