基于PLC的高效多源空调控制系统的设计和应用

王帅,张天开,关珊珊

(青岛理工大学 自动化学院,山东 青岛 266033)

随着人类生活质量的提高,人们对于室内环境舒适度的要求也越来越苛刻,空调作为调节室内环境的主要手段,其能耗和温度控制效果也倍受人们关注,而随时为人们提供温度合适,水量稳定的生活热水也是现代生活必然要求。将空调与生活热水供应相结合,研制一种高效节能的一体化空调控制系统具有很强的实用价值,也是对国家节能减排号召的积极响应。

1 控制系统的设计理念

1.1 多源切换的节能性分析

在光照充足的情况下,根据光热转换原理,利用太阳能对集热器内的水加热作为生活用热水是目前最节能最清洁的生活热水提供方式,但由于光热转换的过程对光照的依赖性强,也使得该方式有供热不稳定的弊端,因此必须有辅助制热手段,如热泵机组的配合使用,才能保证在任何光照环境下,都能为人们提供稳定舒适的生活用热水。

地源是指地表浅层(通常小于400 m深,如地表土壤、地下水、河流、湖泊)接受太阳光照射而存储的能源。适合于各个时节的空调热泵使用,地源热泵空调比传统的风冷热泵空调系统运行效率要高30%～40%。

基于目前大部分城市冬季采暖实行集中供热的方式,而且市政管网供热具有成本低,效果好的特点,用来作为冬季太阳能制热不足的辅助能源并直接供给房间取暖使用,可节省成本和提高效能。

综上所述,利用先进可靠的控制手段将太阳能、地源能以及市政供热结合起来,在不同的季节条件下采用不同的能源,扬长避短,充分发挥其节能、低成本的优势,既减少了环境的污染,又使系统效能达到最大化。

1.2 气候补偿原理

气候补偿原理是基于一个普遍事实:室外温度的变化很大程度上决定了建筑物需热量的大小,进而决定了能耗的高低。因此,系统运行参数应随室外温度的变化实时进行动态调整,始终保持供热量与建筑物的需热量相一致,才能保证室内温度在不同室外温度情况下的相对稳定,实现按需供热,高效节能。

本系统基于气候补偿原理设计的控制算法,应用于太阳能供热和市政集中供热状态下的温度调节。系统根据检测的供、回水温度与室外温度,按照算法设计,输出控制信号,控制电动阀随时调节管路流量,实现动态调节;同时还设定不同时间段的温度,更加趋于人性化,进一步提高了环境的舒适度。

2 控制系统的功能设计

本系统用于我国某海军基地的空调及生活热水的控制,该基地建筑面积约合16 000 m2,分为宿舍区、餐厅区和日常活动区,温度控制区域包括宿舍区、餐厅区和日常活动区;生活热水供应区域包括宿舍区及餐厅区,约合11 000 m2。该基地所在区域具有夏季日照充足,地下水水质优秀且充足以及市政集中供热成本低的特点,因此选择太阳能-地源热泵-市政供热的结合方式实现多源空调的控制系统。

图1为空调及生活热水系统结构图。

图1 空调及生活热水系统结构图Fig.1 System structure of air conditioning and hot water supply

2.1 模式说明

1)手动运行模式。在此方式下,操作员可通过触摸屏对系统的水泵组、热泵机组、管网控制阀组等直接进行操作,控制效果均可反映在触摸屏上。

2)自动运行模式。在此方式下,系统检测的环境参数、经过气候补偿算法处理,产生调节信号组,对室内温度以及生活热水温度进行自动调节。

2.2 季节说明

1)夏季。太阳能循环泵组开启,对生活热水加热;地源热泵机组开启为空调制冷提供冷源。

2)过渡季。太阳能循环泵组开启,对生活热水加热;地源热泵机组在太阳能供热不足情况下开启为生活热水进行辅助加热。

3)冬季。太阳能循环泵组开启,对生活热水加热;市政集中供热直接为室内温度提供热源,同时为生活用热水辅助加热。

4)辅助加热说明。在设定的时间,系统检测当前生活热水的温度,如果水温未达到使用的要求,太阳能循环泵组停止,辅助加热模式启动,对水箱中的水进行补热,当水温达到使用温度时,辅助加热停止,以此确保生活热水系统的正常使用。

2.3 保护措施

1)防过热保护。在夏季某些时段出现高温情况时,防止过高的水温损坏太阳能集热器,系统会自动采取落水式保护措施,当系统检测到集热器出水温度高于人为设定的高温警戒温度时,太阳能循环泵组停转,太阳能循环阀关闭,落水阀打开,太阳能集热器和管路中的水在重力的作用下排到落水箱内,实现系统的排空防过热。

2)防冻保护。在冬季某些时段出现低温情况时,防止过低的水温损坏太阳能集热器,系统会自动采取落水式保护措施,当集热器出水温度低于设定的低温警戒温度时,太阳能循环泵组停转,太阳能循环阀关闭,落水阀和空气平衡阀开启,太阳能集热器和管路中的水在重力的作用下,排到落水箱内,实现系统的排空防冻。

3)防干烧补水保护。系统的补水方式采用电磁阀定时自动补水。当达到补水时间时,压力检测/传感器检测当前水位,当此时水箱水位低于设定水位下限时,机组和水泵组停转,迅速补水,防止干烧。

2.4 控制说明

本系统以PLC为控制核心,以触摸屏作为人机交互界面,实时显示各检测点的信息数据,以动态图形显示系统在各种工况下的管网运行状态,并且可通过触摸屏对系统的运行进行监控和管理。

3 控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

本系统选择1台FP-X系列PLC以及配套的时间模块MRTC;A/D转换模块A80一块,用于处理各项检测数据并上传给PLC;1台多功能触摸屏MT6070i,实时显示系统运行状态,并提供对系统的手动操作;温度传感器:测量范围为0～100℃,测量精度优于0.5℃,3支,分别检测集热器出口温度,热水箱温度,生活热水管路温度;测量范围为-20～200℃,测量精度优于0.5℃,1支,用于检测集热器入口温度;压力传感器:测量范围为0～0.3MPa,1支,用于检测热水箱的水压。

图2为系统硬件设计结构框图。

图2 系统硬件设计结构框图Fig.2 Structure of the system hardware design

3.2 控制系统软件设计

3.2.1 控制程序算法的设计

根据气候补偿的基本原理,经过推导,确定室外温度tw,用户供、回水温度tg,th,室外管网流量关系。在不同的tw,tg和th下,当热水网路在稳定状态下运行时,管网的沿途热损失忽略,采暖用户的热负荷Q1,采暖用户系统散热设备的散热量Q2,供热网路的供热量Q3有以下关系:

式中:twn为采暖室外计算温度;q′为建筑物的采暖体积热指标;V为建筑外围面积;tn为采暖室内计算温度;K′为散热器在设计工况下的传热系数;tpj为散热器内的热媒平均温度;G′为采暖用户的循环水量;C为热水的比热容,C=4.187 kJ/(kg◦℃)。

实际室外温度tw条件下热负荷与采暖室外计算温度tw n条件下热负荷的比值称为相对采暖热负荷比即

1)量调节。在本系统中,由于市政集中供热和地源的温度本身都具有较高的稳定性,即供回水温度都是相对稳定的,适合采取量调节方式,系统不改变外网供回水温度,而是通过调节电动三通阀开度,来改变外网供回水流量,已达到调节温度的效果。根据气候补偿原理推导量调节方式的基本公式,当采暖热负荷变化时,使热水网路相对流量比等于采暖用户相对热负荷比,即:GW=GY。利用式(3)就可计算出室外热水网路和采暖用户采用换热器间接连接时,热水网路需要流量。

2)质调节。由于生活用水取决于人们日常生活用水量,为了保证时刻都有充足的水量以及合适的温度,适合使用水泵的变频功能对生活热水进行质调节,即不改变管网流量,仅改变供回水温度,达到温度控制的目的。既能保持管网内水压恒定又能保证水温的合适,因此,根据采暖热负荷质调节的基本公式:

可求出某一室外温度为tw的条件下,采暖用户系统供、回水温度的计算公式:

式中:tg,th分别为某一室外温度tw条件下,采暖用户的供、回水温度;t′g,t′h分别为采暖室外计算温度twn条件下,采暖用户的设计供、回水温度为相对热负荷比。

3.2.2 控制程序的编写

基于以上推导的气候补偿算法的基本公式,系统程序在FPWIN软件环境下完成了实现。图3为系统控制过程流程图。

图3 控制过程流程图Fig.3 Control process flow chart

3.3 触摸屏设计

系统选用多功能触摸屏,可以实时显示系统运行状况,读取和设定系统参数,并可以通过屏幕对系统进行手动操作。

4 工况详解

整个系统运行状态都按照时间顺序和环境条件来产生控制信号。

1)太阳能水循环。①达到上水时间,系统检测当前水位,确定是否需要进行补水动作,使得水箱满足条件。②达到加热时间,系统采取温差启动方式,当供回水温差达到预定值时,太阳能循环阀开启,太阳能循环泵启动,太阳能水循环开始;当供回水温差达到截止温差启动条件时,太阳能循环泵停转,太阳能水循环停止。③在太阳能水循环运行过程中,PLC根据气候补偿算法实时输出控制信号,对管路的水量进行动态量调节。④系统的保护模式根据所处的时节决定其开启为防过热或者防冻。⑤辅助加热判断在生活热水开启时间开始前1 h,此时系统判断热水箱温度是否满足热水温度要求,决定是否开启辅助加热模式,辅助加热的方式取决于当前时节,夏季与过渡季时,启动地源热泵,冬季时切换由市政集中供热。

2)生活热水循环。①达到生活热水启动时间,系统检测热水管道水温,如果温度小于设定值(38℃)时,开启热水阀和热水循环泵,将管道中的水经蓄热水箱循环加热至设定值(40℃)后,循环阀和热水泵关闭。②系统通过对变频循环泵的控制对管路水量进行质调节,已确保生活热水的压力的稳定和温度的合适。

3)空调循环。达到空调开启时间,系统根据时节的设定,为空调选择合适的能源,同时根据系统采集的环境数据进行气候补偿运算,输出控制信号,控制电动阀的开度,进行量调节,最终控制室内温度。

图4为夏季系统管路运行示意图。

图4 夏季运行管路示意图Fig.4 Piping plan sketch in summer

夏季(过渡季)系统运行过程详细说明如下。

1)生活用水。①8∶00系统检测热水箱水压,经过补水操作,保证热水箱水位满足要求。②8∶30开始检测集热器出入口温差,当温差大于或等于启动温差6℃时,太阳能循环阀K1开启,太阳能循环泵P11启动。③当温差小于停止温差2℃时,太阳能循环阀K1关闭,太阳能循环泵P11停转。④系统防过热保护开启,当集热器出口温度T2高于85℃时,系统进入防过热模式,太阳能循环泵停转,太阳能循环阀关闭,落水阀开启。⑤16∶00检测生活热水管路温度T4未达38℃,系统开启过渡季辅助加热模式,太阳能循环阀K1关闭,板换阀开启,地源热泵机组启动开始制热,通过热交换器进行辅助加热。⑥17∶00生活热水启动,系统质调节开启,确保生活用水满足要求。2)空调。夏季地源热泵机组开启用于空调;过渡季空调停用,地源热泵机组仅用于生活用水的辅助加热。

冬季运行过程简要说明如下。

1)生活用水。与夏季基本相同,需要开启防冻保护,当集热器出口温度T2低于5℃时,开启防冻模式,控制方式与防过热相同;辅助加热时,开启市政管网供热控制阀,通过换热器进行辅助加热。2)空调。空调能源来源于市政管网通过热交换器进行室内温度控制。

5 结论

本系统设计是针对具有太阳能、地源以及可提供城市集中供热地区的一种高效节能空调及生活热水系统的设计,但是多源切换的理念可以扩展到其他能源的组合使用,发挥各种能源的优势,以达到最大效率的节能;气候补偿算法是一种基于环境参数而进行的动态调节算法,比传统的温度调节更加接近室外气候。在一个采暖及空调(制冷)季,本系统比传统风冷中央空调可以节约能源达到30%,而且太阳能和地源都是可再生绿色能源,无需燃煤或燃油,尤其在当前对新能源和绿色可再生能源需求较高的形势下,本系统的设计具有广泛和深远的意义。

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

[2]松下公司.FP系列编程手册[Z].2004.