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太阳能-地源热泵复合控制系统设计与实现

2012-11-21程武山李中彩

关键词:循环泵源热泵热泵

程武山, 李中彩

(上海工程技术大学 机械工程学院, 上海 201620)

目前,建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列成为我国能源消耗的3大“耗能大户”,其中采暖和空调耗能约占建筑总耗能的55%.面临全球能源危机和人们对建筑节能的要求,开发利用新能源、降低供暖空调系统的能耗和节约能源是当前的热点研究问题[1-3].随着我国“十一五”节能规划和《可再生能源法》的颁布实施,可再生能源,尤其是地源热泵和太阳能技术在建筑中的应用正日益受到重视[4].

因土壤导热系数较小,换热面积大,而且热泵系统长期连续运行,会使土壤温度场产生波动,造成地源热泵空调系统投资大且运行不稳定.对于太阳能技术而言,受环境因素影响较大,能流密度低,大大限制了太阳能有效利用[5-6].为解决单一热源热泵技术应用时存在的缺陷,文中设计了太阳能-地源热泵复合控制系统,该系统具有多种运行模式,功能全面,开放性强,可满足冬季采暖和夏季制冷.同时,太阳能-地源热泵复合控制系统采用基于模糊PID控制器的自动变频控制技术,提高了对采暖末端温度的控制精度,降低了能耗.

1 太阳能-地源热泵复合系统

1.1 系统定义

太阳能与地热能复合供暖系统原理如图1.太阳能与地源热泵复合能源系统以太阳能和地球表层土壤中储存的热能作为热泵的热源,是太阳能和地热能综合利用的一种形式,属于多种低品位热源通过热泵来加以利用的方式.夏天供冷和冬天供热的过程中可通过阀门切换,改变冷热媒流向,完成不同运行模式的运转,从而实现可再生能源利用在住宅工程中的系统多样化、高效化.

1.2 系统运行工况

实现可再生能源利用的多样性,主要体现在系统可以在太阳能和地热能利用之间切换,根据不同的使用要求进行联合运行或交替运行[7-9],共6种运行工况.

1) 太阳能直接供暖工况:利用太阳能和蓄热水箱的热水为地板辐射采暖系统直接供热,该运行模式中水箱出口水温即为地板辐射采暖系统进口水温.此时,泵B1,B2,B3开启,阀门V1,V5开启,热泵主机关闭,其余阀门关闭.

2) 太阳能-地源热泵联合供暖运行工况:该运行模式中,埋管换热器与太阳能集热器耦合方式为串联,太阳能集热器加热的循环水经蓄热水箱进入室外埋管换热器,然后进入热泵主机的热交换器.此时,热泵主机开启,泵B1,B2,B3,B4开启,阀门V2,V8,V3,V6开启,其余关闭.

3) 地源热泵供暖运行工况:当蓄热水箱出口侧水温低于土壤温度时,单独用地源热泵给用户供暖.此时,热泵机组开启,泵B3,B4开启,阀门V8,V9,V6开启,其余关闭.

4) 昼夜交替运行:主要是指夜间运行采用地源热泵,日间则采用太阳能热泵供暖,并在此期间让土壤温度自然恢复,该交替运行方式适用于昼夜均需采暖情况.采用太阳能热泵供暖时,热泵主机开启,泵B1,B2,B3开启,阀门V7,V3,V6开启,其余关闭.

5) 地源热泵制冷运行工况:夏季主要由地源热泵空调系统供冷.此时,热泵机组开启,泵B3,B4开启,阀门V8,V9,V6开启,其余关闭.

6) 地下埋管蓄热运行工况:该运行方式主要于过渡季节运行,使太阳能通过U型埋管向土壤中补热,为冬季供热储备能量.此时,热泵机组开启,泵B1,B2, B4开启,阀门V2,V4开启,其余关闭.

B1-太阳能即热循环泵;B2-太阳能热水循环泵;B3-室内末端循环泵;B4-室外地埋管循环泵;

1-太阳能集热器;2-热泵主机;3-压缩机;4-节流阀;5-分水器;6-集水器;7-压差控制器阀;

Ⅰ-蒸发器;Ⅱ-冷凝器;Ⅲ-蓄热水箱;Ⅳ-室内采暖末端;Ⅴ-室外埋管换热器

图1太阳能与地热能复合供暖系统原理

Fig.1Schematicdiagramofthehybridheatingsystemofsolarenergyandgroundsourceheatpump

2 太阳能-地源热泵复合系统控制设计

2.1 三层分布式控制结构

整个系统采用监控管理层、控制层和现场层三层分布式控制结构(图2).监控管理层的硬件采用西门子触摸屏TP170B,通过RS485接口与PLC控制器进行数据通信,实现工业生产数据实时读取/写入及校验.中间现场控制层以西门子S7-200可编程控制器为控制核心,对现场信号进行采集、控制运算以及数据处理,再将控制信号输出给现场的执行机构,对系统运行状态进行控制.现场设备层主要包括现场的电磁阀、循环水泵和压缩机等一些操作机构和执行机构.

图2 太阳能与地热能复合系统控制结构

控制系统中,上位机实时地从PLC采集数据,并向PLC发送连锁启停、急停、复位等开关量信号.控制层与现场设备之间,由PLC输出信号控制电动阀、循环水泵和压缩机等的启停状态,实现不同工作模式的状态切换,其输入/输出信号如表1.

2.2 控制方案

2.2.1 太阳能集热器温差循环控制

太阳能集热循环泵B1采用温差循环控制.此时,当太阳能集热器出口温度T1与其回水温度T2满足T1-T2>8 ℃,同时蓄热水箱出水温度低于上限75℃时,启动集热循环泵B1;当太阳能集热器出口温度T1与回水温度T2满足T1-T2<4℃,或者蓄热水箱出口温度高于其上限75 ℃时,则关闭集热循环泵B1.

表1 输入/输出信号

2.2.2 水泵变频控制

变频器对水泵电机转速的控制是根据现场的需要,由PLC发送指令改变其工作频率来实现的.控制器以PLC为核心,通过温度传感器采集末端集水器内水的温度,并将其与设定温度值进行比较,得到温度偏差信号,再通过模糊PID控制算法输出控制信号,控制变频器的输出频率.从而实现了温度对变频器频率的控制,进而实现对水泵电机转速的控制[10].

在每种工作模式下,PLC可以单独对循环水泵的转速实施闭环控制和调节,其中采用模糊PID控制算法进行调节,算法内嵌于PLC中, 也可以接收上位机信号,实现供暖系统上位机的控制[11].以供暖系统中的室内末端循环水泵为例,其控制框图如图3.

图3 控制过程

2.2.3 温度自动控制

对于太阳能-地源热泵空调系统来讲,温度是其控制的最主要指标.在电机的带动下,水泵使载有一定温度的水循环流动,经过散热器将热量(或冷气)送到各个房间,然后在水泵的作用下又回到热交换器,重新被加热或降温,以此循环,保持房间温度稳定.在控制系统中,冬季和夏季系统需要控制的状态是不同的,冬季主要是热水,夏季则为冷冻水[12].以冬季为例,热泵机组冷凝器侧供水温度为45℃,回水温度即用户端集水器内的水温度一般控制在40℃,并作为控制温度的取样点.而最佳温度点人为设定,根据地区气温情况不同分手动/自动设定两种工作模式.其控制流程为图4.

图4 冬季热水温度控制流程

2.3 软件设计

系统软件设计主要基于西门子PLC-200,采用西门子编程软件STEP7-Micro/Win 编程环境,梯形图编程语言, 模块化编程.根据控制系统各部分完成的功能不同,把程序划分成不同的功能模块,其软件设计流程图如图5.开始工作时,首先进行工作模式选择(冬季供暖、夏季制冷、过渡季节蓄热).冬季供暖时,检测到蓄热水箱温度高于45 ℃,同时房间温度低于18 ℃时,采用太阳能集热系统直接供热,否则采用其他运行工况对房间供暖,此时需开启地源热泵机组.过渡季节,将蓄热水箱中的水打入地下埋管,给土壤蓄热,以备冬季供暖.夏季制冷时,由于冬季长时间从地下取热,地下埋管周围土壤温度较低(6~15 ℃),此时可以直接利用埋管中温度较低的循环液体给房间供冷,直到温度上升到17 ℃左右时,改为地源热泵制冷,节约能源.

图5 太阳能与地热能复合系统控制流程

3 系统仿真

在太阳能-地热能复合供暖系统中一个重要问题就是能否实现对末端温度点的精确控制和最大节约能源.由于模糊控制具有不依赖于精确数学模型,动态性能好等特点,文中采用模糊PID控制算法,实现参数自调整.通过Matlab/Simulink仿真,单位阶跃输入信号下,参数自调节模糊PID控制下的响应曲线如图6,其上升时间为0.07 s,超调量小,系统能够快速跟踪输入信号.该系统既保持了模糊控制的灵活性,又具有PID控制精度高的特点,响应速度快,鲁棒性强,可实现对温度的精确控制.

4 结论

在太阳能与地热能复合供暖系统中,太阳能作为辅助热源,联合地源热泵给建筑供暖,实现了多能源联合利用.另外,其控制系统采用PLC作为控制核心,用上、下位机相配合,实现了不同状态模式的自动切换,并结合基于模糊PID的自动变频智能控制方案,大大提高了对温度控制的快速性和准确性,有利于节约能源和对能源的高效利用.本系统初步运行良好,目前处于现场调试阶段.

图6 模糊PID仿真结果

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