水电站启停式热泵系统送风温度控制精度研究

张 涛，李 俊，汪高翔，袁 博

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

1 引言

在中央空调系统中，变风量空调系统稳定控制送风温度是进行室内温度控制的基础[1,2]。尤其是在水电站对送风温度有特殊要求的场所，如机组单元控制室、电站计算机机房等，对送风温度的控制精度要求较高。通常，送风温度的控制是利用温度传感器测量实际的送风温度, 并利用其与设定送风温度的差值调节冷冻水供回水流量来实现[3]。控制方法一般使用试错法、投票法等[4], 但这些方法均不能完全满足电站重要设备间控制要求, 鲁棒性较差。当前，传统的PID 控制使用最多。在PID 送风温度控制过程中，冷冻水供水温度的稳定性及大小将直接影响送风温度的控制效果。

在系统中，冷冻水供水温度的稳定性及大小取决于冷热源系统的性能及工况。水电站常用热泵机组为冷热源，在某些水电站还利用水库、主变等设备的二次冷却水作为冷冻水在过渡季节进行调节。其控制方式主要为开关式控制及变容式控制基准。对于较小容量的热泵机组，多采用开闭控制方法[5]。开/关控制的热泵机组一般采用冷冻水回水温度作为控制依据，即当冷冻水回水温度高于设定温度的上限值时，机组启动，当冷冻水回水温度低于设定温度的下限值时，机组关闭[6]。在这种情况下，冷冻水供水温度将随主机的启停大幅度变化，对控制末端设备间送风温度造成了较大的干扰。为了减小冷冻水温度的波动，一般是在冷冻水出口加一个缓冲的水槽。增加其稳定性[6]。而冷冻水回水温度的设定值，则直接决定冷冻水供水温度的整体大小（即缓冲水箱内的平均水温大小）。设定值越低，冷冻水供水温度的平均值就越低，相反则越高。因此冷冻水回水温度设定值将直接影响送风温度的控制精度。

本文针对目前水电站一般采用的启停式热泵空调系统，采用模拟仿真的手段对送风温度的精确控制进行研究。利用TRNSYS 仿真软件，验证在冷冻水出口处加一个缓冲水槽的效果。同时分析冷冻水回水温度设定值的大小对送风温度控制精确的影响。

2 系统描述

本文研究的热泵空调系统的原理图如图1 所示，设备间描述了一个水电站空调区域，面积为60 m2，设计负荷为240 W/m2。所选用的热泵机组为小容量的涡旋式热泵机组，其额定制冷量为17.2 kW，输入功率为3.91 kW。压缩机为定速压缩机，由一个开关控制器根据冷冻水回水温度进行控制，冷冻水回水温度控制范围为设定值的±1℃。冷冻水流量为0.822 kg/s，冷却水流量为1.006 kg/s，冷却水回水温度认为始终保持不变为30℃。缓冲水箱的容量为0.75 m3。末端为定风量系统，风量为2 400 m3/h。

图1 热泵空调系统原理图

热泵机组为开/关控制模式，即当温度传感器测量的冷冻水回水温度比设定的上限值高时，机组将启动且满负载运行；当冷冻水回水温度比设定的下限值低时，机组将关闭，热泵机组的最小运行时间和最小停机时间均为3 min。末端为定风量系统，即送风量不变，对室内温度不做控制。送风温度控制器即为PI控制器，通过实时监测的送风温度与设定值的比较，采用PI 控制算法，对电动三通阀的开度进行控制，实现对冷水流量的调节，进而实现对送风温度的控制。

3 仿真模型

本文采用TRNSYS[7]软件建立系统仿真平台，如图2 所示，包括设备间模型[8,9]，热泵机组模型[10]，冷冻盘管模型[8]，风机模型，水泵模型，水箱模型，三通水阀模型[11]，温度传感器模型以及阀门执行器模型[12]。“Type9e”为TRNSYS 中自带的数据读取器模型，用以读取设备间模型的边界条件。

图2 TRNSYS 仿真平台

水箱模型如式（1）描述，认为水箱是完全绝热的且水箱内水温分布均匀。

式中，Mwater为水箱中的水量（kg），mw为流过水箱的冷冻水流量（kg/s），Twater为水箱内水的温度，Tout,HP为热泵机组的冷冻水供水温度，cpw为水的定压比热容（kJ/kg·K）。

冷冻水泵和风机模型为定流量模型，流量分别为0.822 kg/s 和2 400 m3/h。

4 模拟结果与分析

4.1 边界条件

在模拟过程中，采用夏季典型日的室外空气温度和湿度作为已知输入参数，如图3 所示，不考虑太阳辐射。本次研究中，仅考虑送风温度控制，设定值为16℃，室内温度不做控制，送风量为2 400 m3/h，新风量为送风量的30%。水箱容量为0.75 m3。

图3 夏季典型日室外温湿度

4.2 水箱对送风温度控制的作用效果

采用相同的边界条件，对有缓冲水箱和无缓冲水箱两种情况送风温度的控制效果进行对比。冷冻水回水温度设定值为11℃，PI 的控制参数为Kp=2，Ti=60。如图4 所示，给出了AHU 进水温度（即冷冻水供水温度）从10 am 到12 am 的变化情况。如图5所示，给出了冷冻水回水温度从10 am 到12 am 的变化情况。图6 则给出了送风温度的控制效果。从模拟结果可以看出缓冲水箱可以很好的减小冷冻水供水温度的波动幅度，同时减少热泵机组的启停频率。不加水箱时，冷冻水回水温度远超出控制范围，这是由于当热泵机组停机时，冷冻水供水温度迅速升高，冷冻水回水温度也随之升高，在热泵机组最小停机时间内已经超出控制范围。冷冻水供水温度大幅度的震荡对末端送风温度的控制产生巨大的干扰，使得PI 控制器很难将送风温度控制在设定值，最大绝对偏差超过了1.5℃。当采用缓冲水箱时，冷冻水供水温度波动幅度较小且变化较为缓慢，冷冻水回水温度可以很好地维持在控制范围内，对送风温度的控制干扰也相对较小，PI 控制器可以很精确的将送风温度控制在设定值，平均绝对偏差为0.037℃，最大绝对偏差为0.118℃。

图4 加水箱和不加水箱AHU 进水温度变化情况

图5 加水箱和不加水箱冷冻水回水温度变化情况

图6 加水箱和不加水箱两种情况送风温度的控制效果

4.3 冷冻水回水温度设定值对送风温度控制精度的影响

冷冻水回水温度设定值是热泵机组启停控制的依据，由于热泵机组运行时为满负载运行且冷冻水流量为定流量，冷冻水回水温度设定值大小决定了缓冲水箱中水温的平均大小，进而影响送风温度的控制效果。图7 给出了不同冷冻水回水温度设定值时送风温度的控制精度。可以看出随着冷冻水回水温度设定值的增加，送风温度的最大绝对偏差不断加大，即控制精度不断减小。通过对模拟数据进行分析，可以得到送风温度控制的最大绝对偏差与冷冻水回水温度设定值的关系，如式（2）表示。

图7 不同冷冻水回水温度设定值时送风温度的控制精度

式中，Y为最大绝对温度偏差（℃），X为冷冻水回水温度设定值（℃）。a1、a2均为修正系数，可通过参数辨识获得。对于本系统，系数a1与a2的值分别为：a1=0.005 8，a2=0.274 5，R2=0.999 1。

可以看出，送风温度控制精度受冷冻水回水温度设定值的影响较大，最大绝对偏差与冷冻水回水温度设定值近似成指数关系。当冷冻水回水温度设定值减小1℃时，送风温度控制精度将大幅度提高。在实际应用中，可通过降低冷冻水回水温度设定值的方法，减小选用的缓冲水箱大小，同时不牺牲送风温度的控制精度。

5 结论

本文利用TRNSYS 仿真软件建立水电站启停式热泵空调系统仿真平台，通过模拟仿真的方法，对送风温度的精确控制进行研究。验证了缓冲水箱在启停式热泵空调系统中的作用效果，研究了冷冻水回水温度设定值对送风温度控制精度的影响。模拟结果表明缓冲水箱可以很好的稳定冷冻水供水温度，减小热泵机组的频繁启停对末端送风温度控制的干扰。研究结果还表明了冷冻水回水温度设定值对送风温度控制精度有较大影响，设定值越低，送风温度控制精度越高。