三套管蓄能热泵系统控制方案设计与实测分析

2014-12-31王娜娜曲德虎

机械工程与自动化 2014年2期

王娜娜，曲德虎

（1.广东吉荣空调有限公司，广东揭阳 522000；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

随着经济的飞速发展，对能源的需求日益增加，因此造成的能源消耗、空气污染等问题也日趋严重，因此对清洁能源的开发和利用也变得尤为重要。本文介绍的三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统是将太阳能和空气能相结合在一个空调系统中，构成多源的热泵结构。两种能源取长补短，通过空气源热泵技术和蓄能技术的应用，达到一机多用、全年运行的效果。

1 三套管蓄能热泵系统构成

如图1所示，三套管蓄能型热泵机组主要由压缩机、四通换向阀、电磁阀、逆止阀、膨胀阀、过滤器、空气换热器、板式换热器、气液分离器、储液桶、三套管蓄能换热器、水泵、室内风机盘管、流量计组成。

本系统选用蓄能材料RT5HC，蓄能密度统计值为245kJ/kg，相变温度区间5℃～6℃。由于相变温度适中，该系统可在冬季蓄热供热，夏季蓄冷供冷。

2 系统控制需求分析

2.1 系统的工作模式

三套管蓄能型热泵机组既可以夏季供冷，也可以冬季供热，也可以在过渡季节使用。无论供冷还是供热，机组的冷源（或者热源）都不是唯一的。例如供冷时，既可以是蓄能器供冷，也可以是空气源热泵机组供冷，还可以是二者联合供冷。在这种情况下，机组的工作模式很多。本文根据机组的特性，选取了8种典型的工作模式：夏季夜间蓄冷模式、夏季蓄能器单独供冷模式、夏季空气源热泵与蓄能器联合供冷模式、夏季空气源热泵单独供冷模式、冬季太阳能蓄热模式、冬季蓄能器单独供热模式、冬季空气源热泵单独供热模式、冬季蓄冷除霜模式。在该系统中采用人工设定与自动控制相结合的方法，首先由用户选择机组的工作模式：制冷或制热。之后由控制逻辑实现不同空调期内具体工作模式的自动切换。不同工作模式之间的切换主要通过阀门的开关组合来实现。

图1 三套管蓄能型热泵系统原理图

2.2 系统的测点布置

三套管蓄能型热泵机组系统较为复杂，需要测量的运行参数较多，其中需要控制系统采集的温度传感器有37个，压力传感器有7个。众多参数中，部分测点参数作为工作模式的切换依据、机组的启停条件、或者是故障保护的条件，因此测点的合理布置是机组安全高效运行的重要前提。系统中，蓄能器内相变材料的温度分布情况十分重要。为此，在3组蓄能器内分别布置了9个、5个、5个温度传感器。另外，对蓄能器入口和出口的制冷剂状态参数、压缩机的吸气/排气参数、各部分的水温和压力都要监测和记录。需要监测的参数之多，对数据采集、数据记录和数据分析都提出了更高的要求。

3 控制方案设计

3.1 控制系统的硬件选型

通过对三套管蓄能型热泵机组控制需求的分析，选择CO-TRUST可编程控制器和昆仑通态HMI来实现系统功能。具体配置为：1个CPU226L，5个扩展模块CTS 231-7NF32，2个CTS7 235-0KD32，1个TPC7062KX。

由于系统控制逻辑复杂，选择PLC作为控制系统的核心有明显的优势，本文中选择的CO-TRUST PLC具有强大的通信能力、高速的运算能力、大的程序存储空间，能够满足高性能复杂控制系统的需求和较大的数据处理需求。在本系统中，需要采集的数据量巨大，而1个CTS 231-7NF32模块可以对8个NTC传感器采样，因此选择5个CTS 231-7NF32模块，满足40个温度测点采集需求；另外2个CTS7 235-0KD32采集4mA～20mA信号，满足8个压力传感器采集需求。

人机界面负责机组的控制、参数设定、数据显示、数据归档等功能。本系统选择昆仑通态触摸屏，其主要优点是：7寸高清液晶显示，功能强大，组态方便，具备强大的数据采集和归档功能，支持U盘备份导出。

3.2 PLC的控制点分布

数字量输入点主要包括压缩机过载保护、冷凝风机过热保护、水泵过载等，其他机组故障报警及保护功能通过控制软件编程实现。

数字量输出点主要包括压缩机控制、水泵控制、四通阀控制、总故障输出以及用来模式切换的8个电磁阀控制。

模拟量输入点包括37个NTC（Negative Temperature Coefficient）温度采集点和7个压力传感器采集点，主要用来监测压缩机吸排气、蓄能器出入口、蓄能器内相变材料、板式换热器制冷剂以及系统中水的温度或压力，这些采集点部分用于控制或保护功能，部分用于监测比对。

3.3 控制逻辑设计

机组主要工作于两种一级工作模式，一种是制冷，一种是制热，用户通过触摸屏设定选择，在制冷或制热模式下又分若干二级工作模式。以下以制热模式为例，介绍控制逻辑设计方法，具体控制逻辑如图2所示。图2中，Tin为室内干球温度；Tinset为室内设计温度；Tout为室外干球温度；TPCM为相变材料温度；Tsol为太阳能热水温度。

制热模式下主要分4个二级工作模式。由于室外环境温度不同时，空气源热泵供热和蓄能器供热的效率不同，所以用室外温度作为选择两种工作模式的依据。在室外温度过低时，如果是空气源热泵供热存在结霜问题，此时通过蓄能器蓄冷模式达到除霜目的。

3.4 控制软件设计

3.4.1 PLC程序设计

在主程序中对各种运行模式的条件进行判断，通过程序中VW100的数值不同对应8种工作模式，每个工作模式对应一个子程序，每个子程序中对压缩机、水泵、四通阀、电磁阀的动作进行控制，实现不同工作模式的控制功能。

图2 制热模式控制逻辑

压力采集通过“模拟量功能块”实现。作为PLC中常用的模拟量采集功能，通过功能库的形式将程序固化，这样一方面有利于简化程序结构，另一方面在程序编写过程中不易出错，出错后易于检查。

NTC温度传感器编程相对更容易，根据编制要求确定温度采集点地址，进行简单的数据格式换算就可以通过HMI查看结果。

通过软件编程实现空调系统的自动报警和自动保护功能，保证系统安全运行。在该系统中有以下保护：压缩机过载保护、冷凝风机过热保护、水泵过载保护、压缩机高低压保护。故障发生时，相应的部件停止运行，通过HMI可以查看故障信息。

3.4.2 HMI程序设计

该系统需要监测的测点非常多，对数据记录提出较高的要求，通过对昆仑通态触摸屏的软件组态可以满足记录要求。在软件中可以定义数据记录的时间间隔、需要采集的变量、数据按升序或者降序时间条件排列、变量值筛选条件等，可以准确地记录满足要求的数据值，存储空间大，允许记录大批量数据。

数据导出功能可以设定导出数据的时间段和导出文件名称。数据导出文件以EXCELL表格的形式存储在U盘中。图3为手操器上显示的数据导出画面显示。

HMI还具有参数设定、开关机、查看机组状态、故障报警、手动控制等功能，HMI是用户和机组之间的桥梁，用户对机组的操作控制都要通过它实现，而这些功能都是通过对其组态软件的开发实现的。

图3 数据导出画面显示

4 试验结果分析

本文仅以冬季蓄能器单独供热模式为例对试验结果进行简要分析。运行此模式时，蓄能器作为系统的蒸发器，此时，系统运行情况与室外环境无关。

观察沿制冷剂流动方向管长对相变材料冷却特性的影响，如图4所示。数据显示：入口测点降温最慢，末端测点冷却效果最理想。之所以会出现相变材料温度沿管长方向分布差异的现象，是制冷剂沿流动方向流型变化影响到了传热。在倒数第2个测点温度最低，说明制冷剂即将跨过两相区；在最后的测点看到温度回升，说明制冷剂已达到过热，流出蒸发器（三套管蓄能型换热器）。这也从另一个角度说明了换热器设计的合理性。

通过对样机在蓄能器单独供热模式下运行特性的分析，发现随着供热时间的推移，相变材料的温度呈现指数函数下降规律，但是供热水温却不会出现大的波动。经过曲线回归，发现供热总量随时间的变化函数是一次函数。也就是说，在整个供热阶段，样机的供热性能非常稳定，说明利用蓄能器单独供热是可靠的。