王帥,張?zhí)扉_(kāi),關(guān)珊珊

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,山東 青島 266033)

隨著人類(lèi)生活質(zhì)量的提高,人們對(duì)于室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求也越來(lái)越苛刻,空調(diào)作為調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的主要手段,其能耗和溫度控制效果也倍受人們關(guān)注,而隨時(shí)為人們提供溫度合適,水量穩(wěn)定的生活熱水也是現(xiàn)代生活必然要求。將空調(diào)與生活熱水供應(yīng)相結(jié)合,研制一種高效節(jié)能的一體化空調(diào)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,也是對(duì)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召的積極響應(yīng)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

1.1 多源切換的節(jié)能性分析

在光照充足的情況下,根據(jù)光熱轉(zhuǎn)換原理,利用太陽(yáng)能對(duì)集熱器內(nèi)的水加熱作為生活用熱水是目前最節(jié)能最清潔的生活熱水提供方式,但由于光熱轉(zhuǎn)換的過(guò)程對(duì)光照的依賴(lài)性強(qiáng),也使得該方式有供熱不穩(wěn)定的弊端,因此必須有輔助制熱手段,如熱泵機(jī)組的配合使用,才能保證在任何光照環(huán)境下,都能為人們提供穩(wěn)定舒適的生活用熱水。

地源是指地表淺層(通常小于400 m深,如地表土壤、地下水、河流、湖泊)接受太陽(yáng)光照射而存儲(chǔ)的能源。適合于各個(gè)時(shí)節(jié)的空調(diào)熱泵使用,地源熱泵空調(diào)比傳統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高30%～40%。

基于目前大部分城市冬季采暖實(shí)行集中供熱的方式,而且市政管網(wǎng)供熱具有成本低,效果好的特點(diǎn),用來(lái)作為冬季太陽(yáng)能制熱不足的輔助能源并直接供給房間取暖使用,可節(jié)省成本和提高效能。

綜上所述,利用先進(jìn)可靠的控制手段將太陽(yáng)能、地源能以及市政供熱結(jié)合起來(lái),在不同的季節(jié)條件下采用不同的能源,揚(yáng)長(zhǎng)避短,充分發(fā)揮其節(jié)能、低成本的優(yōu)勢(shì),既減少了環(huán)境的污染,又使系統(tǒng)效能達(dá)到最大化。

1.2 氣候補(bǔ)償原理

氣候補(bǔ)償原理是基于一個(gè)普遍事實(shí):室外溫度的變化很大程度上決定了建筑物需熱量的大小,進(jìn)而決定了能耗的高低。因此,系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)應(yīng)隨室外溫度的變化實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,始終保持供熱量與建筑物的需熱量相一致,才能保證室內(nèi)溫度在不同室外溫度情況下的相對(duì)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)按需供熱,高效節(jié)能。

本系統(tǒng)基于氣候補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)的控制算法,應(yīng)用于太陽(yáng)能供熱和市政集中供熱狀態(tài)下的溫度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的供、回水溫度與室外溫度,按照算法設(shè)計(jì),輸出控制信號(hào),控制電動(dòng)閥隨時(shí)調(diào)節(jié)管路流量,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié);同時(shí)還設(shè)定不同時(shí)間段的溫度,更加趨于人性化,進(jìn)一步提高了環(huán)境的舒適度。

2 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用于我國(guó)某海軍基地的空調(diào)及生活熱水的控制,該基地建筑面積約合16 000 m2,分為宿舍區(qū)、餐廳區(qū)和日?；顒?dòng)區(qū),溫度控制區(qū)域包括宿舍區(qū)、餐廳區(qū)和日?；顒?dòng)區(qū);生活熱水供應(yīng)區(qū)域包括宿舍區(qū)及餐廳區(qū),約合11 000 m2。該基地所在區(qū)域具有夏季日照充足,地下水水質(zhì)優(yōu)秀且充足以及市政集中供熱成本低的特點(diǎn),因此選擇太陽(yáng)能-地源熱泵-市政供熱的結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)多源空調(diào)的控制系統(tǒng)。

圖1為空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of air conditioning and hot water supply

2.1 模式說(shuō)明

1)手動(dòng)運(yùn)行模式。在此方式下,操作員可通過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)的水泵組、熱泵機(jī)組、管網(wǎng)控制閥組等直接進(jìn)行操作,控制效果均可反映在觸摸屏上。

2)自動(dòng)運(yùn)行模式。在此方式下,系統(tǒng)檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)、經(jīng)過(guò)氣候補(bǔ)償算法處理,產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)組,對(duì)室內(nèi)溫度以及生活熱水溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 季節(jié)說(shuō)明

1)夏季。太陽(yáng)能循環(huán)泵組開(kāi)啟,對(duì)生活熱水加熱;地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟為空調(diào)制冷提供冷源。

2)過(guò)渡季。太陽(yáng)能循環(huán)泵組開(kāi)啟,對(duì)生活熱水加熱;地源熱泵機(jī)組在太陽(yáng)能供熱不足情況下開(kāi)啟為生活熱水進(jìn)行輔助加熱。

3)冬季。太陽(yáng)能循環(huán)泵組開(kāi)啟,對(duì)生活熱水加熱;市政集中供熱直接為室內(nèi)溫度提供熱源,同時(shí)為生活用熱水輔助加熱。

4)輔助加熱說(shuō)明。在設(shè)定的時(shí)間,系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前生活熱水的溫度,如果水溫未達(dá)到使用的要求,太陽(yáng)能循環(huán)泵組停止,輔助加熱模式啟動(dòng),對(duì)水箱中的水進(jìn)行補(bǔ)熱,當(dāng)水溫達(dá)到使用溫度時(shí),輔助加熱停止,以此確保生活熱水系統(tǒng)的正常使用。

2.3 保護(hù)措施

1)防過(guò)熱保護(hù)。在夏季某些時(shí)段出現(xiàn)高溫情況時(shí),防止過(guò)高的水溫?fù)p壞太陽(yáng)能集熱器,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取落水式保護(hù)措施,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到集熱器出水溫度高于人為設(shè)定的高溫警戒溫度時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)泵組停轉(zhuǎn),太陽(yáng)能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥打開(kāi),太陽(yáng)能集熱器和管路中的水在重力的作用下排到落水箱內(nèi),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的排空防過(guò)熱。

2)防凍保護(hù)。在冬季某些時(shí)段出現(xiàn)低溫情況時(shí),防止過(guò)低的水溫?fù)p壞太陽(yáng)能集熱器,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取落水式保護(hù)措施,當(dāng)集熱器出水溫度低于設(shè)定的低溫警戒溫度時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)泵組停轉(zhuǎn),太陽(yáng)能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥和空氣平衡閥開(kāi)啟,太陽(yáng)能集熱器和管路中的水在重力的作用下,排到落水箱內(nèi),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的排空防凍。

3)防干燒補(bǔ)水保護(hù)。系統(tǒng)的補(bǔ)水方式采用電磁閥定時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水。當(dāng)達(dá)到補(bǔ)水時(shí)間時(shí),壓力檢測(cè)/傳感器檢測(cè)當(dāng)前水位,當(dāng)此時(shí)水箱水位低于設(shè)定水位下限時(shí),機(jī)組和水泵組停轉(zhuǎn),迅速補(bǔ)水,防止干燒。

2.4 控制說(shuō)明

本系統(tǒng)以PLC為控制核心,以觸摸屏作為人機(jī)交互界面,實(shí)時(shí)顯示各檢測(cè)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù),以動(dòng)態(tài)圖形顯示系統(tǒng)在各種工況下的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),并且可通過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和管理。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇1臺(tái)FP-X系列PLC以及配套的時(shí)間模塊MRTC;A/D轉(zhuǎn)換模塊A80一塊,用于處理各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)并上傳給PLC;1臺(tái)多功能觸摸屏MT6070i,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),并提供對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)操作;溫度傳感器:測(cè)量范圍為0～100℃,測(cè)量精度優(yōu)于0.5℃,3支,分別檢測(cè)集熱器出口溫度,熱水箱溫度,生活熱水管路溫度;測(cè)量范圍為-20～200℃,測(cè)量精度優(yōu)于0.5℃,1支,用于檢測(cè)集熱器入口溫度;壓力傳感器:測(cè)量范圍為0～0.3MPa,1支,用于檢測(cè)熱水箱的水壓。

圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of the system hardware design

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制程序算法的設(shè)計(jì)

根據(jù)氣候補(bǔ)償?shù)幕驹?經(jīng)過(guò)推導(dǎo),確定室外溫度tw,用戶供、回水溫度tg,th,室外管網(wǎng)流量關(guān)系。在不同的tw,tg和th下,當(dāng)熱水網(wǎng)路在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),管網(wǎng)的沿途熱損失忽略,采暖用戶的熱負(fù)荷Q1,采暖用戶系統(tǒng)散熱設(shè)備的散熱量Q2,供熱網(wǎng)路的供熱量Q3有以下關(guān)系:

式中:twn為采暖室外計(jì)算溫度;q′為建筑物的采暖體積熱指標(biāo);V為建筑外圍面積;tn為采暖室內(nèi)計(jì)算溫度;K′為散熱器在設(shè)計(jì)工況下的傳熱系數(shù);tpj為散熱器內(nèi)的熱媒平均溫度;G′為采暖用戶的循環(huán)水量;C為熱水的比熱容,C=4.187 kJ/(kg?℃)。

實(shí)際室外溫度tw條件下熱負(fù)荷與采暖室外計(jì)算溫度tw n條件下熱負(fù)荷的比值稱(chēng)為相對(duì)采暖熱負(fù)荷比即

1)量調(diào)節(jié)。在本系統(tǒng)中,由于市政集中供熱和地源的溫度本身都具有較高的穩(wěn)定性,即供回水溫度都是相對(duì)穩(wěn)定的,適合采取量調(diào)節(jié)方式,系統(tǒng)不改變外網(wǎng)供回水溫度,而是通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥開(kāi)度,來(lái)改變外網(wǎng)供回水流量,已達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的效果。根據(jù)氣候補(bǔ)償原理推導(dǎo)量調(diào)節(jié)方式的基本公式,當(dāng)采暖熱負(fù)荷變化時(shí),使熱水網(wǎng)路相對(duì)流量比等于采暖用戶相對(duì)熱負(fù)荷比,即:GW=GY。利用式(3)就可計(jì)算出室外熱水網(wǎng)路和采暖用戶采用換熱器間接連接時(shí),熱水網(wǎng)路需要流量。

2)質(zhì)調(diào)節(jié)。由于生活用水取決于人們?nèi)粘Ｉ钣盟?為了保證時(shí)刻都有充足的水量以及合適的溫度,適合使用水泵的變頻功能對(duì)生活熱水進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié),即不改變管網(wǎng)流量,僅改變供回水溫度,達(dá)到溫度控制的目的。既能保持管網(wǎng)內(nèi)水壓恒定又能保證水溫的合適,因此,根據(jù)采暖熱負(fù)荷質(zhì)調(diào)節(jié)的基本公式:

可求出某一室外溫度為tw的條件下,采暖用戶系統(tǒng)供、回水溫度的計(jì)算公式:

式中:tg,th分別為某一室外溫度tw條件下,采暖用戶的供、回水溫度;t′g,t′h分別為采暖室外計(jì)算溫度twn條件下,采暖用戶的設(shè)計(jì)供、回水溫度為相對(duì)熱負(fù)荷比。

3.2.2 控制程序的編寫(xiě)

基于以上推導(dǎo)的氣候補(bǔ)償算法的基本公式,系統(tǒng)程序在FPWIN軟件環(huán)境下完成了實(shí)現(xiàn)。圖3為系統(tǒng)控制過(guò)程流程圖。

圖3 控制過(guò)程流程圖Fig.3 Control process flow chart

3.3 觸摸屏設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用多功能觸摸屏,可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況,讀取和設(shè)定系統(tǒng)參數(shù),并可以通過(guò)屏幕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)操作。

4 工況詳解

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)都按照時(shí)間順序和環(huán)境條件來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。

1)太陽(yáng)能水循環(huán)。①達(dá)到上水時(shí)間,系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前水位,確定是否需要進(jìn)行補(bǔ)水動(dòng)作,使得水箱滿足條件。②達(dá)到加熱時(shí)間,系統(tǒng)采取溫差啟動(dòng)方式,當(dāng)供回水溫差達(dá)到預(yù)定值時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)閥開(kāi)啟,太陽(yáng)能循環(huán)泵啟動(dòng),太陽(yáng)能水循環(huán)開(kāi)始;當(dāng)供回水溫差達(dá)到截止溫差啟動(dòng)條件時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)泵停轉(zhuǎn),太陽(yáng)能水循環(huán)停止。③在太陽(yáng)能水循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中,PLC根據(jù)氣候補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)輸出控制信號(hào),對(duì)管路的水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)量調(diào)節(jié)。④系統(tǒng)的保護(hù)模式根據(jù)所處的時(shí)節(jié)決定其開(kāi)啟為防過(guò)熱或者防凍。⑤輔助加熱判斷在生活熱水開(kāi)啟時(shí)間開(kāi)始前1 h,此時(shí)系統(tǒng)判斷熱水箱溫度是否滿足熱水溫度要求,決定是否開(kāi)啟輔助加熱模式,輔助加熱的方式取決于當(dāng)前時(shí)節(jié),夏季與過(guò)渡季時(shí),啟動(dòng)地源熱泵,冬季時(shí)切換由市政集中供熱。

2)生活熱水循環(huán)。①達(dá)到生活熱水啟動(dòng)時(shí)間,系統(tǒng)檢測(cè)熱水管道水溫,如果溫度小于設(shè)定值(38℃)時(shí),開(kāi)啟熱水閥和熱水循環(huán)泵,將管道中的水經(jīng)蓄熱水箱循環(huán)加熱至設(shè)定值(40℃)后,循環(huán)閥和熱水泵關(guān)閉。②系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變頻循環(huán)泵的控制對(duì)管路水量進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié),已確保生活熱水的壓力的穩(wěn)定和溫度的合適。

3)空調(diào)循環(huán)。達(dá)到空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間,系統(tǒng)根據(jù)時(shí)節(jié)的設(shè)定,為空調(diào)選擇合適的能源,同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行氣候補(bǔ)償運(yùn)算,輸出控制信號(hào),控制電動(dòng)閥的開(kāi)度,進(jìn)行量調(diào)節(jié),最終控制室內(nèi)溫度。

圖4為夏季系統(tǒng)管路運(yùn)行示意圖。

圖4 夏季運(yùn)行管路示意圖Fig.4 Piping plan sketch in summer

夏季(過(guò)渡季)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明如下。

1)生活用水。①8∶00系統(tǒng)檢測(cè)熱水箱水壓,經(jīng)過(guò)補(bǔ)水操作,保證熱水箱水位滿足要求。②8∶30開(kāi)始檢測(cè)集熱器出入口溫差,當(dāng)溫差大于或等于啟動(dòng)溫差6℃時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)閥K1開(kāi)啟,太陽(yáng)能循環(huán)泵P11啟動(dòng)。③當(dāng)溫差小于停止溫差2℃時(shí),太陽(yáng)能循環(huán)閥K1關(guān)閉,太陽(yáng)能循環(huán)泵P11停轉(zhuǎn)。④系統(tǒng)防過(guò)熱保護(hù)開(kāi)啟,當(dāng)集熱器出口溫度T2高于85℃時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入防過(guò)熱模式,太陽(yáng)能循環(huán)泵停轉(zhuǎn),太陽(yáng)能循環(huán)閥關(guān)閉,落水閥開(kāi)啟。⑤16∶00檢測(cè)生活熱水管路溫度T4未達(dá)38℃,系統(tǒng)開(kāi)啟過(guò)渡季輔助加熱模式,太陽(yáng)能循環(huán)閥K1關(guān)閉,板換閥開(kāi)啟,地源熱泵機(jī)組啟動(dòng)開(kāi)始制熱,通過(guò)熱交換器進(jìn)行輔助加熱。⑥17∶00生活熱水啟動(dòng),系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)開(kāi)啟,確保生活用水滿足要求。2)空調(diào)。夏季地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟用于空調(diào);過(guò)渡季空調(diào)停用,地源熱泵機(jī)組僅用于生活用水的輔助加熱。

冬季運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

1)生活用水。與夏季基本相同,需要開(kāi)啟防凍保護(hù),當(dāng)集熱器出口溫度T2低于5℃時(shí),開(kāi)啟防凍模式,控制方式與防過(guò)熱相同;輔助加熱時(shí),開(kāi)啟市政管網(wǎng)供熱控制閥,通過(guò)換熱器進(jìn)行輔助加熱。2)空調(diào)?？照{(diào)能源來(lái)源于市政管網(wǎng)通過(guò)熱交換器進(jìn)行室內(nèi)溫度控制。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是針對(duì)具有太陽(yáng)能、地源以及可提供城市集中供熱地區(qū)的一種高效節(jié)能空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),但是多源切換的理念可以擴(kuò)展到其他能源的組合使用,發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢(shì),以達(dá)到最大效率的節(jié)能;氣候補(bǔ)償算法是一種基于環(huán)境參數(shù)而進(jìn)行的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法,比傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)更加接近室外氣候。在一個(gè)采暖及空調(diào)(制冷)季,本系統(tǒng)比傳統(tǒng)風(fēng)冷中央空調(diào)可以節(jié)約能源達(dá)到30%,而且太陽(yáng)能和地源都是可再生綠色能源,無(wú)需燃煤或燃油,尤其在當(dāng)前對(duì)新能源和綠色可再生能源需求較高的形勢(shì)下,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有廣泛和深遠(yuǎn)的意義。

[1]American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineer[Z].Ground-source Heat Pump Engineering Manual,1995.

[2]松下公司.FP系列編程手冊(cè)[Z].2004.