高速铁路车站地源热泵自控系统设计

2019-01-23李浩然周文波丁道祥王伟王瑞雪

中国设备工程 2019年1期

李浩然，周文波，丁道祥，王伟，王瑞雪

（中国铁路沈阳局集团有限公司科学技术研究所，辽宁沈阳 110013）

目前，由于地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术，高速铁路车站越来越多的选择使用地源热泵系统作为站房内部的空调装置。但在使用的过程中，某些车站地源热泵在使用的过程中暴露出自动化程度低，站房内空调温差大，不能够无人值守，能源利用率低，耗能较大等弊端。而通过在地源热泵系统的室外地源换热系统、地源热泵主机系统以及室内末端系统设置模拟量采集装置，采集到的数据传输到控制终端，利用自动控制原理对地源热泵实行自动控制，通过无线网络通讯将数据反馈到远程服务器能够实现地源热泵远程数据集控，建立“用数据说话、用数据决策、用数据管理”的科技型、创新型房产运营管理体系，建立地源热泵远程监控系统平台，实时了解铁路地源热泵机房内和生产办公区内设备工作情况。

1 地源热泵自动控制系统结构

本系统采用可编程逻辑控制器及上位机上的SCADA系统，将现场地源热泵机组及其他各设备的工作状态信息和传感器采集到的数据信息经过PLC处理后，统一集中到工业组态软件开发的SCADA系统中，再利用SCADA系统实现地源热泵系统无人值守的最优化设计，根据实际负荷，经过分析运算，调节热泵机组的启停和工作能级，并和太阳能系统及水蓄能系统配套运行。根据系统需求设计系统的硬件架构，采用分层分布的硬件结构，从下向上分为3级：现场级、监控级、管理级。现场级主要包括以PLC为核心控制器的控制柜、热泵机组、循环泵、阀门、各类传感器等；监控级主要包括实时数据服务器、历史数据服务器、工程师站、硬盘录像机、安全防护网关等；管理级主要包括管理终端设备（PC机）、手持管理设备、移动管理设备等。利用互联网络，实现地源热泵房、段、路局数据大集中系统，并行成三级网络管理，系统管理构成图如图1。

图1 地源热泵自控系统三级网络架构

2 地源热泵自动控制系统数据监测内容

在整个地源热泵系统中，地源热泵机房设备主要包括地源热泵机组、地源循环泵、用户循环泵、板式换热器和软水设备等。候车室设备主要包括中央空调机组、地板辐射供暖、盥洗室风机盘管机组等，生产办公区包括风机盘管机组等。基于地源热泵系统的组成，地源热泵自控系统主要监测区域可分为埋管区域地温监测、通风与空调系统监控、全系统输入／输出能量计量、全系统设备运行控制等。

2.1 埋管区域地温监测

地埋管地源热泵系统在运行过程中将一定将一定程度上改变换热区的地温场，地温场的改变直接影响系统性能和换热区的地质环境。因此通过设置埋管区域地温监测，可及时反馈换热区温度变换情况，作为系统自动启停的温控参数之一，对达到系统最优性能和保护地质环境具有重要意义。

将整个埋管区域划分成若干区域，在每个区域内选取2个具有代表性的点作为监测点。为了满足监测需求，监测点应分为2类：一类是将温度传感器同竖直埋管一起固定下埋，对管井进行监测；另一类是设置单独的温度监测井，用其他载体固定温度传感器埋入井内。温度传感器的选型方面要保证传感器和导线在高压、偏碱性土质（及液体）环境下的长期稳定使用。温度传感器埋设完成后，通过多芯绝缘屏蔽导线连接进入控制终端箱，控制终端箱内部的可编程控制器具备通讯接口和开放通讯协议。在数据集控室设置1台工控机，通过RS485通讯接口和通讯线缆与控制终端箱进行通讯连接，采集、存储土壤温度信号，供高速铁路车站地源热泵控制系统组态软件进行相关数据存储分析。

组态软件收集土壤温度并计算平均值，与设定的平均值比较。当实际平均温度高于设定平均温度设定值时，开启冷却塔、冷却水泵、地源侧冷水泵对土壤进行降温，直至土壤达到常年正常温度为止。

2.2 通风系统监控

通风空调机组的控制通过温、湿度传感器和气压控制开关，监测通风空调机组的运行状态、故障报警状态以及手动／自动运行状态；监测空调送风温度，新风机组与新风门的联锁控制程序：空调机组开启时，自动打开新风门，停机时自动关闭新风门。

通过室内温、湿度传感器监测室内的温度和湿度，当温度达到设定温度时，电动两通阀自动关闭，切断冷冻水的供应，从而起到控制风机盘管的启停作用。随着室内风机盘管的启停，供水主管上装有水压差传感器的压差控制开关监测当前水压差，然后将信号传输至控制器，控制器经过PID运算控制安装在分、集水器旁路上的压差调节阀的开度，维持供、回水压差恒定于设定值。

2.3 全系统输入／输出能量计量

自控系统通过串口通讯线采集地源热泵机房内控制柜智能数字电度表电量数据，用来计量全部空调机组和循环水泵的耗电量。各用电单元配电柜计量各风机盘管和新风机组的耗电量。通过电能计量统计系统耗能；电能计量仪表设置应靠近用电设备，尽量集中计量，以保证计量精度、计量数据传输方便。

系统能量输出由空调热水系统、地源循环水系统、夏季板换水系统和用户侧空调水系统4个系统组成。通过热能表对进水管和出水管的温度采集，并结合管路流量计检测的管内流量进行计算，得最后出每个系统的能量输出。

地源热泵系统通过采集空调热水系统、地源循环水系统、夏季板换水系统、用户侧空调水系统的能量输入和输出，计算系统的总能量以及通过智能电度表计量主机、地源侧水泵、用户侧水泵、冷却塔侧水泵以及末端风机盘管的耗电量。最后通过能量的输入／输出和系统总耗电量计算机房能效比和车站建筑的能效比。

2.4 监测点数量统计

综上所述，地缘热泵系统监测的数据点设计数量如下：

（1）空调侧3台循环泵的电压、电流、运行状态、单泵电量、远程控制泵的开停。

（2）地源侧3台循环泵的电压、电流、运行状态、单泵电量、远程控制泵的开停。

（3）空调侧循环温度检测1处，地源侧循环温度检测1处。

（4）2组地源热泵机组的参数读取（主要进口压力、出口压力、进口温度、出口温度、报警等）。

（5）补水泵水量和补水压力，需要加远传水表和水压传感器。

（6）地源侧集水器进口压力、进口温度、出口压力、出口温度，分水器进口压力、进口温度、出口压力、出口温度。

（7）空调侧集水器进口压力、进口温度、出口压力、出口温度，分水器进口压力、进口温度、出口压力、出口温度。

（8）换热板1次侧进口压力、进口温度、出口压力、出口温度，换热板2次侧进口压力、进口温度、出口压力、出口温度。

（9）中央空调的温度采集，1侧设3个温度采集点。

3 上位机程序设计

采用组态软件开发数据采集与监视控制系统（SCADA系统），监控系统根据热泵机房设备的实际分布情况及热泵系统运行的工艺流程设计系统运行流程效果图，将采集的参数形象、动态的展示，并以图形按钮、树形菜单等方式为用户提供操作接口，以实现设备控制、限值设定、参数调节以及各类信号报警等各项功能，提高系统的易用性和交互性。地源热泵监控系统功能模块如图2所示。

图2 地源热泵监控系统功能模块

上位机程序主要功能如下：

（1）用户管理：可以定义权限用户，进行多级用户的管理，可以查询的和可以控制设备的用户进行严格区分。

（2）设备管理：建立数据库，对地源热泵的所有设备的使用年限、使用注意事项、使用报废年限、设备常用基本参数说明等设备信息进行管理，同时可以对远程终端其他电脑和手机上线数目进行管理。远端最少允许5台手机，2台电脑进行操作。可以对远程登录的手机。

（3）系统日志：详细记录管理的设备的工作状态日志，可以3min或者5min进行一次采集。同时对登陆人员及人员的操作进行记录，出现问题时可以找到责任人。当系统设备出现故障时，要记录系统故障时间，内容等基本信息。

（4）控制模式转换：设置系统的运行模式为全自动运行或者手动点动启停设备及各个子系统。自动模式下可根据用户侧供水温度等条件完成热泵机组的启停、机组的自动加载、减载、设备轮换、根据室外环境温度自动设定主机出水温度，平衡室外环境温度变化造成的室内温度波动，达到节能、舒适的目的。

（5）控制3个系统协调运行：电价低谷时段控制热泵机组为蓄能池蓄热（冷），电价高峰期蓄能池放能进行制热（冷）；可实现根据设定的时间和温度条件，控制太阳能系统为淋浴水箱供热、为蓄能池蓄热、为地源侧蓄热3种工作模式按照优先级从高到低的顺序运行。

（6）系统还具有通过数据曲线、数据报表进行数据分析功能；实时监测关键参数及设备状态进行故障检测，实现声光报警和短信提示功能；与视频监控系统结合将热泵机房主要设备的监控画面集成到上位机界面显示；用户分级管理功能，为不同级别的用户分配不同的操作权限，保证系统安全；提供Web访问功能，支持通过互联网远程访问，便于管理人员远程办公。

（7）数据报表：生成满足需要的日报月报和年报，要按水量、电量、压力等内容进行分析计算，生成报表。根据用水量、用电量、压力情况、温度情况进行分析统计，生成曲线，统计高峰时间段等功能。