集散控制方式下的水源热泵节能技术分析

文/曹志华

当前，能源与环保问题日益突出，国家发改委已将节能减排列为今后一段时期的工作重心。在目前节能技术中，以其高效、环保和节能等诸多优势，在全球范围内得到广泛应用。国内水源热泵技术的发展，目前已初步具备了一定的规模，但在实际应用中还出现了不少问题。为了进一步加强其节能控制效果，需要改善节能技术。本文首先简要概述水源热泵系统，再分析集散控制方式下的水源热泵节能技术，以期实现更加高效的水源热泵节能控制目标。

水源热泵技术是一种以地下水为冷、热源，在地下冷、热介质间进行热传递，从而达到能源转化的有效设备。该技术不需要使用煤炭和石油等燃料，也不会对环境造成任何影响，并且能够将低热量转化为高热量。在目前的能源与环保状况下，水源热泵技术得到了广泛推广与使用。本文对水源热泵系统的研究具有重要意义。为此需要对其进行技术改造，以进一步提升其工作效能，促进其更大范围的推广使用。

水源热泵系统

水源热泵系统主要由以下六大部分构成。第一部分是 水源热泵机组，作为水源热泵系统中的冷热源，与各房间的循环水在热泵机组进行内交换。第二部分是制冷剂循环，由四个主要部分构成，分别是压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀。压缩机作为整个系统的核心部分，起着导热作用，可以将低压的蒸汽转化为高压的蒸汽，从而减少蒸汽体积。气压上升。

膨胀阀门又称为节流阀。作为水源热泵机组的主要控制元件，直接影响机组的蒸发、凝结压强。膨胀阀用于对液体制冷剂进行减压，使得制冷剂在离开冷凝器后进行节流减压，再在蒸发器中进行膨胀，变为蒸汽吸热，是保持冷凝器中高压、蒸发器中低压的关键元件。蒸发器是一种吸热装置，利用该装置使制冷剂从被冷冻物品中吸取热能，从而达到冷冻效果。冷凝器是一种释放热量的装置，将从蒸发过程中所吸收的热和与压缩机做功所转换的热量一起转移到制冷剂带走。第三部分是蒸发器端配水装置，天然的水通过循环泵输送到热泵的蒸发设备，在蒸发设备中与低温、低气压的液体制冷剂进行换热，从而达到降温的目的。第四部分是冷却塔侧水，将循环水输送至热泵中的冷凝设备，与其中的高温、高压气态制冷剂进行换热，从而提高设备的温升。第五部分是风机盘管，风机盘管是水源热泵系统的终端设备，利用风力，持续地将室内的空气进行循环，进行制冷或加热，维持环境中一定的相对湿度。第六部分是水泵，进水泵和回灌泵也被称为上水泵和下水泵，它们分别被用来抽取地下水和将使用过的地下水进行回灌，使地下水产生一个循环。

在取水井和回港井中分别设置进水泵和回灌泵，用过的地下水一定要回灌，不然会造成地面下沉，并且在回灌之前应对回灌水进行监控或处理，保证不会对地下水造成污染。循环式水泵将使用者循环水送到换热器中，为使用者持续输送或带走热能。

应用水源特泵系统，具备以下三个方面优势。第一个方面是以水为冷热源，在温度较高期间进行制冷，将地下水源中的较低温度热能传送至室内，确保空调低温运转。在冬天供热时，利用地下水源中的较高温度热能，向室内输送热量，保证室内空气温度质量。第二个方面是水源热泵机组在使用过程中，没有机械振动部分，没有噪声，可大幅降低建筑废弃物的排放量，能够起到保护资源、节约能量的效果。第三部分是占用空间少，无需安装大量的冷凝器和制冷室等设施，能够节省安装施工成本，提高企业工程建设效益。

水源热泵集散控制节能设计

原有的可编程控制器仅能实现逻辑、时序控制等功能，难以实现数学计算，限制了其应用范围。最近几年PLC 技术水准不断提升，很多PLC 系统都支持数学运算，有的PIC 还支持PID 路反馈自动调节，提供PID 算法，为采用更好的控制算法提供稳定基础。从系统的真实特征出发，对其进行分析，并给出一个合理的控制方案以及建立一个数学模型，在控制过程中随着现实条件的改变，对控制参考点进行微调，然后通过一个执行器来实现对其的准确控制。水源热泵集散控制节能系统的控制软件充分利用上述技术，使其达到了较好的控制效果。

单元操作数量控制

在组件单元的控制中，组件的操作数量是组件单元的重要组成部分。本系统所采取的方法为水源热泵机组冷媒水出口温控，主站依据机组冷媒水出口合流的温度，确定机组的操作数量。至于出口的合流温度，每个组件的水量都是一样的，因此可以通过取平均数值来计算。

单体组件能量调整

基于单元操作数量控制，出水温度的调控一般仅能实现一摄氏度以上，有的时候存在二摄氏度到三摄氏度的变化，因此，要实现对各单元的精准调控，就必须对各单元的能耗做出相应的调整。使用螺杆压缩机，其能源调整方法是对滑阀冲程进行调整，然后再使用上载阀和卸载阀，使用油压来对滑阀的位置进行调整，以此来调整机组能源。只要通过调节加负荷和卸负荷的阀门，就可以对单个组件的出水量进行调节，进而对整个装置的出口和流温进行调节。

在单元开始之后，所有模块上的空调水电磁阀都会被开启，而没有启动模块的空调水出口温度与进口温度一样。所以在明确入口温度、温度设定值、实际运行组件台数、总组件数的情况下，并假定每个模块的水流量都是一样的，能够计算出每个运行的模块的出口温度设定值，然后各模块就能够根据出口温度设定值进行调整，从而能够对合流温度进行准确的控制，整个控制精度在一摄氏度之内。

地下水变频调节

在确保地下水的流量和流速符合机组的需求的前提下，按照机组的冷却水出口温度对变频设备频率进行调整，从而将水量控制在仅能满足机组的需求的范围内。自动化控制程序中，设定PID 反馈自动调节回路，采用PID 指针来进行流量的自动调节，在实际工作中，地下水的温度通常为十五摄氏度，因此，机组的冷却水进口温度也为十五摄氏度。

基于该温度，将冷却用的冷却出口温度设置成二十二摄氏度，将制热用的冷却水出口温度设置成九摄氏度。在外部负载很小的时候，组件投入的数目很小，冷却水出口的温度也会随之改变，此时，可以通过减少地下水泵的频率来减少水流量，从而实现节能、节约的目的。

主从式架构、通信

主、从站采用一套比较独立的控制方式，无论哪个从站发生了什么故障，都不会对其他主站的运行造成影响。在主机发生故障的情况下，从机也可以人工操作。在主从站之间利用COMPOBUS/S 协议实现信息共享。主从两个站之间通信的主要内容包含以下两个方面。

第一个方面是从主站到从站：冷冻、制热信号，启、停信号，出口温度设定值，排气温度设定值，过载电流值，冷水低温值等。第二个方面是从从站到主站：机组运行信号，人工、自动信号，水出口温度，排气温度，压缩机电流，故障警报等。在通信过程中需要传送大量的信息，为了提升通信的效率，使用特殊的代码技术，把各种模拟和开关的数据都按某种规则进行代码化，这样只需要很小的一个字节即可完成整个通信过程，不仅可以提高通信的效率，而且还能确保通信的可靠性。另外，在主站的COM1CPU 中，还设置一个标准的RS422 接口，通过通信将整个冷却系统的工作状态远传给上位机，与标准的监测组态软件相结合，可以对单元进行远程监测，达到较大范围的网络控制。

集散控制方式下的水源热泵节能优化与技术

优化

根据水源热泵机组的构成，可分为三大类，水源热泵机组、热泵循环水泵、控制系统。在水源热泵机组中的主要构成是冷却塔水流量调节、水泵运转功率调节。利用外部天气条件，对冷却塔中的水量进行预测，并对其进行调速，从而达到对冷却塔中水量的控制。同时利用该系统的内反馈来调节水泵的工作频率。当外部天气条件发生变化时，应及时调整泵的转速，以降低能耗。

由此可见，在水源热泵机组中加装变频调速设备，利用变频调速设备调整冷却塔水的水量，使得冷却塔水泵的工作频率与外界气候条件一致。该方法既能确保冷水塔水的恒定，又能使系统在不同天气条件下自动调节水泵工作频率，实现节能。具体操作是利用变频调速设备与可编程控制器构成控制单元，其中，冷却水泵、冷水泵均采用温度自动闭环调节，也就是利用温度传感器对冷却水、冷水的水温进行采样，并将其转化成电信号之后输送至自动化控制系统，通过与设置值相对比，通过PID 计算，确定变频调速设备的输出频率，实现对冷水和冷却水泵转速的调节。

在集散控制方式下的水源热泵系统中采用自动化的方法，可以发挥其自动化的优势特点。第一个方面是中央空调设备采用自控模式，可大幅度降低设备的维护成本。第二个方面是将自控模式应用于中央空调，可发挥其强大的自控能力，提升设备的运转效能。

冷水闭环控制：在确保终端装置冷水流量供应的前提下，选择一个冷水泵变频器工作的最小工作频率，将其设置为下限频率并进行锁止，将马达工频设置为上限频率。在冷却水系统中，较低温度冷水温度与蒸发器操作参数有关，只要对较高温度冷水回流水进行调节，就可以对温差进行调节。使用一个温度传感设备测定水温，然后与自动化控制系统、变频设备、冷水泵形成闭环，对冷水回水水温控制在五摄氏度到七摄氏度的情况下，该系统会对变频设备的输出频率进行调节，从而使得冷水泵旋转速度随着负荷的改变而改变。此外，在第一次启动的时候，电机以工频的速度运转，可以设置好变频设备的参数，让冷水系统得到充分的交换，之后就可以按照冷回水的温度来进行频率的无级调节。

冷却水闭环控制：冷却水采用地下水作为热水循环用水，以达到高效节约能源的目的。目前大多数的控制方法都是首先按照流动需求来决定一个冷泵变频器运行的最小运行频率，把它设置成下限并锁住，把电机的工频设置成上限。在冷却水系统中，以冷凝设备两边冷却水的温度为控制参数，利用温度传感器、自动化控制系统、变频设备、冷却水泵形成一个闭环控制系统，使得冷却水泵的旋转速度随着热负荷的改变而改变，冷却水之间的温差始终维持在一个不变的数值，这样就可以在保证系统冷却需求的同时，实现节电的目标。

技术

集散控制：集散控制模型是计算机技术与现代控制技术以及通讯技术有机地融合在一起而形成的一种新的控制模型。在集散控制方式下，将分布式的多台电脑组合在一起，用总线将各台电脑连接起来，以达到对分布式系统的集中控制。该集散控制体系由中央控制器、中央管理单元、现场设备三部分组成，中央控制器能够依据各设备的工作状况，对各设备进行实时的控制。中央管理单元作用是对各个分散的装置进行统一的监控与管理。现场设备是子系统，执行分散系统要求。

循环水控：在确保终端装置供水正常的前提下。选择一种循环泵变频调速装置工作的最低工作频率为泵运转的最低工作频率，并将其锁住。在此基础上，通过调整电机的工作频率，使其达到最大值，调节变频设备频率，从而实现对系统流量的控制。另一方面，循环水初始温度与蒸发和冷凝器的工作条件有关，通过对循环水回用水温的调节，能够实现对温差的有效控制。为保证循环水出水和回水之间的温差在一定的范围之内，在循环水入口使用温度传感器进行检测，并与数字控制设备、变频设备、泵站组成一套完整的系统，以保证循环水出水和回水之间的温差在一定的范围之内。随着负载的改变，回水温度也随之改变，控制系统随着温差的改变来调整水泵的转速，进而调整系循环水的流量，直至达到新负载对周期水量及温度变化的需求为止。

井水控制：水源热泵以恒定的地下恒温水源作为天然的冷热源，当负载发生改变时，冷凝挥发的热能也随之改变。以井水的温度为控制参数，保持温差不变，利用温度传感器、数字控制设备、变频设备、井水泵形成闭环控制系统，对井水泵的转速进行调整，进而调整井水流量，使其能够跟随热负荷变化。在保证负载要求的情况下，该系统能使泵不处于最大负载状态，从而实现节能。管理级的中心计算机和周边设备，可以利用接收到的数据，对现场控制过程进行集中监视，并进行数据集中处理、管理。同时管理人员可以利用中心计算机对现场控制设备进行预定进度设置，查询设备运行的历史数据，制作打印报表，并对报警信息进行及时处理，在需要的时候，还可以利用中心计算机对现场设备进行远程启动、停止控制。

最近几年，国内的能源紧缺问题变得更加严峻，人们对节能环保的认识也变得更加强烈，人们也开始更加关注建筑节能技术的研究和应用。在集散控制方式下的水源热泵节能技术，具备性能优良、控制方便、安全可靠、智能节能、应用广泛的特性，要持续加强对新的节能技术研发、推广，以便能够持续发挥出更好的节能环保作用。