水源熱泵控制系統

水源熱泵作為一種用地下恒溫水源代替冷卻塔的高效節能空調，在實際應用中，為了進一步提高節能效果，還應盡可能減少主機、冷凍水泵和冷卻水泵等主要耗能設備的用能。傳統的空調水系統使用定流量的運行方式，水源熱泵主機本身具有能量調節機構，根據負載變化輸出的能量可以在額定值的25％-100％的范圍內調整。但是，冷凍水泵和冷卻水泵卻不隨著負載變化做出相應的調節，流量保持不變，導致水系統經常在大流量、小溫差的工況下運行，電能浪費很大。采用定溫差變流量的水系統控制，可以避免這種浪費。采用這種控制方式，可以把進回水的溫差固定在一個較大的給定值上，在用戶負荷較小時，通過減少流量來滿足用戶要求，這樣水泵的能耗可以大大減少。隨著冷機技術的進步，蒸發器的流量可以在額定流量的60%-100%范圍內變化，這樣就為采用交流變頻調速器對水源熱泵系統中的水泵進行變流量節能控制提供了技術保證。本文將利用PLC、觸摸屏和變頻器對水源熱泵進行變頻節能控制。2

變頻節能控制方案

采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元,其中冷卻水泵、冷凍水泵均采用溫度自動閉環調節，即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進行采樣,并轉換成電信號(一般為4-20mA,0-10V等)后送至PLC,通過PLC將該信號與設定值進行比較再作PID運算后，決定變頻器輸出頻率,以達到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉速,從而達到節能目的。2.1

冷凍水系統

系統采用定溫差變流量的方式運行，在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍水泵變頻器工作的最小工作頻率作為水泵運行的下限頻率并鎖定；將電動機工頻設定為上限頻率，改變變頻器頻率就可以調節系統的流量。另一方面，在系統運行時，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發器的運行參數，一般冷凍水出水溫度設定為8-10℃,因此，只需控制高溫冷凍水(回水)的溫度,即可控制溫差。為了確保冷凍水的出水回水溫差在設定的范圍內，方案采用溫度傳感器在冷凍水入口測量水溫T，并與PLC、變頻器及水泵組成閉環控制系統，將冷凍水回水溫度控制在△T（一般取5-7℃）。當負荷發生變化，回水溫度跟著變化，控制系統跟著溫差的變化調節水泵的轉速從而調節系統冷凍水的流量，直到滿足新的負荷對冷凍水流量和溫差要求。圖1

冷凍水系統閉環控制框圖

當水源熱泵系統首次起動時，電機在工頻下全速運行，冷凍水系統充分循環一段時間，然后再根據冷凍回水溫度對頻率進行無級調速。其目的是促進冷凍水的流動，保證換熱效果。2.2

冷卻水系統

水源熱泵系統采用溫度不變的地下恒溫水源作為冷凝器的冷卻水源，負荷變化，冷凝器散發的熱量也會變化。取冷凝器兩側冷卻水的溫度作為控制參數,維持溫差不變，采用溫度傳感器、PLC和變頻器及冷卻水泵組成閉環控制系統,調節冷卻水泵的轉速，從而調節冷卻水流量跟隨熱負載變化。系統在滿足冷卻需要的前提下,可以避免水泵全功率運行，達到節電的目的。

圖2

冷卻水系統閉環控制框圖3

控制系統設計3.1

水源熱泵系統設備

以某醫院病房水源熱泵系統為例，有兩臺螺桿壓縮機，每臺輸入功率65kW，Y-△起動，每臺壓縮機帶有3個能量調節電磁閥，使壓縮機能分別工作在25%、50%、75%、100%能級。每臺壓縮機帶有排氣溫度過高保護，內部溫度過高保護，高、低壓力保護，油壓差保護，均為開關量。系統有冷凍水泵兩臺(1臺備用)，功率均為11kW，冷卻水泵兩臺(1臺備用),功率均為15kW，每臺泵各匹配一個變頻器。系統設水流開關兩個,一個用于冷凍水水流，一個用于冷卻水水流，兩個水流開關中任何一個在斷時，壓縮機不能起動。這些設備和保護元件都需要檢測其運行狀態和起、停控制，都是開關量。3.2

控制系統硬件配置

根據系統分析和控制要求,系統安全運行要求控制端計有:系統啟動/停機按扭2個,壓縮機排氣溫度保護2個,高、低壓保護4個,內部溫度過高保護2個,油壓差保護2個,電機過流保護6個,水泵電機保護4個，水流繼電器2個,出水溫度過低保護1個,電源相序保護2個,共要求控制系統根據運行輸入27個開關量以及4個模擬量信號，對這些信號進行處理后，給出的控制信號包括：驅動水泵變頻器4個,驅動壓縮機運行6個,驅動壓縮機能量調節電磁閥6個，驅動水回路電磁閥2個,共計輸出開關量18個。

根據以上系統要求的輸入/輸出端數量和系統特性，選擇日本歐姆龍(OMRON)公司生產的PLC系列產品組成控制系統，包括有CP1H-XA40DR-A型號的PLC1臺，NT5Z-ST121B-EC型號的觸摸屏1臺，3G3RV系列的變頻器4臺，CPM1A-TS102型號溫度傳感器單元1臺組成。其中觸摸屏和變頻器通過RS-485串行通訊接口連接到PLC。溫度傳感器單元通過其所帶的擴展I/O連接電纜和PLC相連，4路Pt100直接連接在溫度傳感器單元的接線端。遮

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