地源热泵系统电气设计探讨

邹 华 国

(山东正鑫工程设计有限公司 潍坊分公司, 山东 潍坊 261000)

0 引 言

建筑行业中的供暖制冷有着很大的能源消耗,在更好地促进行业发展的同时,降低其能耗显得至关重要。地源热泵系统的电气设计关系着整个系统的能源消耗[1]。对地源热泵系统电气设计进行探讨,可以更好地节能,减少碳排放。本文以威海某实践基地地源热泵供暖制冷系统为例进行分析探讨。

1 地源热泵系统的运行原理及优点

1.1 运行原理

地源热泵系统主要由室外系统、机组系统和室内末端系统组成。地下温度常年较为稳定,地源热泵正是利用了这一点,把室外管路系统深埋于地下,通过热泵原理进行了能量交换。夏天取出地下的冷量制冷,冬天取出热量供热,仅需要消耗少量的电能就能驱动机组进行循环,达到制冷供暖的目的。

1.2 优点

地源热泵系统的换热方式与其他空调系统不同,这使得它具有其他制冷供暖系统没有的优点:① 高效节能。地源热泵系统的转换效率比锅炉供热系统高,且运行费用低。而锅炉供用户使用的热量并不是很高,但运行费用高。因为土壤的温度较为稳定,与传统的空气能热泵相比,制冷、制热系数高,而且运行费用低。② 传统的锅炉在冬季供暖时会产生有害的气体、固体及液体,对环境造成影响。而地源热泵系统运行中不产生任何的污染物,可实现绿色环保,节能降耗。③ 操作简单易学。地源热泵系统可采用传统的单片机控制方式,也可采用PLC控制方式[2],最终都是在触摸屏上操作,控制界面清晰,操作流程简单,只需要短时的培训即可上手。像户用的电表一样可以实现分户收费,让住户产生良好的使用体验。④ 整个系统的安全可靠性高。机组选用的压缩机、换热器、电子膨胀阀等主要部件均为知名品牌,质量可靠,不管环境如何变化,运行稳定,不会出现大的故障。每台机组可以独立控制,自成系统。⑤ 家用空调和燃气锅炉的寿命一般都在十年以下,而地源热泵机组寿命在十年以上,循环系统寿命在二十年以上,地埋管系统寿命更长[3]。⑥ 远程智能控制。可以通过监控中心查看系统参数,监控系统能耗,通过算法优化机组、水泵的运行台数,实现节能降耗的目的。各类运行数据、故障类型可存储打印,方便后期调整[4]。⑦ 后期维修保养费用较低。地源热泵系统没有室外设备,不会出现一些常规的维护费用,压缩机运行稳定可靠,故障率低,用起来省心。⑧ 应用场合广泛。不管是改扩建工程还是新建工程,都可安装地源热泵系统。

2 地源热泵配电系统的设计

2.1 配电系统

此工程由3台SM-200LR机组、4台空调循环泵、2台空调补水泵、4台地埋循环泵、2台地埋补水泵、12台电动阀组成,循环泵、补水泵均有1台备用。地源热泵整个配电系统主要包括对机组的配电、对空调循环泵和地埋循环泵的配电、对空调补水泵和地埋补水泵的配电、对电动阀的配电等,其中对机组的配电是核心。机组配电的好坏直接关系到整个系统的长期运行。

2.2 机组配电系统

机组包括的电气部件主要有压缩机、25%电磁阀、50%电磁阀、75%电磁阀、中间喷液阀、回油电磁阀、液路电磁阀、电机喷液阀、机内保护、排气温度、压机高压开关、压机低压开关、压机过载开关和过热开关部件。机组控制箱主要由断路器、接触器、控制板、电子膨胀阀驱动模块、变压器、相序保护器及中间继电器等组成。该机组压缩机功率大、起动电流大,因此对压缩机配电采用星三角起动方式,避免了直接起动对压缩机的损坏和对电网的冲击。压缩机主回路图如图1所示。

配套部件主要有空调水流量开关、地埋水流量开关、空调水泵过载信号、地埋水泵过载信号、蒸发侧供回水温度、冷凝侧供回水温度等。对这些部件的控制主要通过设置在机组控制箱内的控制板及操作面板来实现。操作面板通过RS-485通信对控制板进行参数的读写及机组的控制。通过对流量开关、电磁阀、进出口温度、排气温度、压力的实时检测,控制压机的起停及加载减载,更好地实现能量调节,达到节能降耗的目的。地源热泵配电系统控制图如图2所示。

2.3 循环系统电气配电

综合考虑现有的GGD柜体尺寸,本次采用的柜体尺寸为800 mm×600 mm×2 000 mm,可选择5台柜子为其做配电。采用3台机组的配电为1个柜子,因机组本身带着部分配电和控制部件,所以机组配电较为简单,主要由3个630 A断路器和电流表、电压表及铜排所组成。机组本身的功率较大,电流较高,进线采用铜排接线会更加方便些。空调侧循环水泵和空调侧补水泵采用1个柜子,空调侧循环水泵采用断路器、接触器和电动机综合保护器的方式进行配电。22 kW的循环泵功率较大,采用星三角降压起动方式,这样做可以降低起动电流,减轻对电网的冲击。3 kW空调侧循环泵采用常规的断路器、接触器和热过载继电器组合方式配电,减少柜内接线。此柜体总进线采用225 A断路器,可满足要求。空调侧循环水泵的控制回路采用起动开关、停止开关、手动/自动转换开关、热过载继电器的常闭触电、3个接触器的开闭触电、线圈及时间继电器,与PLC控制系统联动,可实现手动/自动控制。空调侧补水泵采用电接点压力表自动补水控制,同时出现故障时有警铃自动报警。22 kW地埋侧循环水泵和2.2 kW地埋侧补水泵配电跟空调侧一致。配电柜配电系统图如图3所示。

图3 配电柜配电系统图

因电动阀数量较多,为方便布线,采用2个柜子分别控制6个电动阀。电动阀的配电较为简单,主要由断路器和正反转用的接触器组成。电动阀的功率较小,因此断路器和接触器均采用了较小的规格。其控制回路设置了正反转和手动/自动的开关。最重要的是,为了更好地保护好电动阀,电动阀的开到位及关到位信号需要接入控制回路。空调侧循环泵和地埋侧循环泵均用中间继电器、接触器辅助触点和热过载继电器的触点预留了端子,为自动控制做好准备。其运行状态反馈信号、故障反馈信号和自动运行信号均接入端子。同样,电动阀的正转反转自动控制信号、自动信号也通过中间继电器及其辅助触点接入端子,为PLC控制做好接线。

3 机房的电气设计

机房的电气设计主要包括机组、水泵的配电电缆及信号电缆选择,电缆桥架敷设平面图的绘制以及机房的接地设计。本工程空调机房配电柜供电采用三相五线制系统,电压等级为380/220 V。机房设备配电柜供电电源由强电专业自变配电室引入,地源热泵机组和水泵设备供电由低压配电柜引至。供电设备电源线选用0.6/1 kV国标电力电缆,采用电缆桥架敷设。

3.1 机组、水泵的配电电缆及信号电缆

机组电缆根据机组电流结合上级断路器选用YJV-(3×185+2×95)电缆,空调循环泵及地埋循环泵根据电流及断路器分别选用两根YJV-(4×10)电缆,空调补水泵及地埋补水泵分别选用1根YJV-(4×2.5)电缆。机组信号电缆采用RVVP屏蔽电缆,信号电缆应根据机房现场情况选择合适的敷设方式,要求敷设整齐、美观、布置协调。信号线的敷设必须远离机组电缆,避免因电磁干扰影响电子与计算机系统的正常工作。电缆及信号电缆敷设到设备时应留有合理余量。

3.2 电缆桥架敷设平面图的绘制

根据主机电缆、循环泵电缆及补水泵电缆的截面积及桥架敷设的容量要求,结合现场施工敷设的难度,主桥架选用400 mm×200 mm规格桥架,至循环泵桥架选用300 mm×200 mm桥架,其他控制设备选择穿JDG管敷设,可满足施工要求。电缆桥架施工时需严格按照相关施工及验收规范进行。电缆桥架敷设平面图如图4所示。

图4 电缆桥架敷设平面图

3.3 机房接地设计

机房接地设计需做好如下几点:① 本项目中的等电位连接带、金属桥架、金属管道、设备外壳、建筑物金属结构等均与局部的等电位连接箱连接后,再接至大楼的等电位连接箱。② 配电柜与机组间采用6 mm2的铜导线与等电位联结带的连接线相连接。③ 电缆桥架间连接板的两端做好接地,接地线截面积大于2.5 mm2。④ 所有进出机房的管道和电缆的钢带以及配电室的PE线应就近与等电位线连接,做成总等电位联结。⑤ 施工完毕必须进行实测,接地电阻不大于1 Ω,否则应加大接地极直至达到本设计要求。⑥ 机房等电位连接选用40 mm×4 mm的接地扁钢。扁钢沿墙面固定时距离地面垂直距离25 cm,距离墙面水平距离2 cm,露出地面以上部分刷黄绿双色漆作为色标。

4 末端电气的设计

末端电气主要包含主题教育馆、综合实践活动楼、食堂、报告厅和宿舍楼的空调电气设计,主要为风机盘管和变风量机组配电。风机盘管均为单相设备,设计时力求三相平衡,每个回路的风机盘管功率相近。变风量机组为三相设备,采用常规的断路器加接触器加热过载继电器控制方式。每台风机盘管接线盒接线5根,高、中、低风速各用1根,接地线1根,零线1根。为了便于后续空调开关的安装与检修,各火线、零线、高、中、低速控制线线色分别一致。风机盘管控制开关安装距地面1.4 m,要求敷设整齐、美观,与室内布置协调,不得影响或破坏结构。电控箱要做好绝缘措施,构成不导电环境。一些电气设备正常并不带电,但绝缘层损坏后会漏电带来危害,所以这类设备的金属外壳、穿线金属管、支架等均应可靠接地。空调开关接线盒在墙体内需提前做好预埋套管。配电箱位置尽量选择在中间位置,以方便布线,而且可以节省材料,节约造价。箱内漏电开关须经检验合格后使用,漏电保护动作电流为30 mA,动作时间为0.1 s。

5 系统自控部分的设计

为了保证系统高效可靠运行,建立一套热泵机房自动运行控制系统。系统主要由监控中心、现场PLC节能控制柜以及其他执行机构组成。监控中心主要由服务器、系统监控软件、通信等设备组成。监控中心可采集和控制系统中的各种运行参数,包括进出口温度、吸排气压力、流量、热泵机组、水泵、电动阀等,并实现各主要设备的远程起停控制。监控中心作为热泵系统的总调度中心,实时采集各种热泵参数和各设备的运行参数,实现远程控制,提高管理服务水平。地源热泵系统PLC柜主要由PLC控制器、数字量模块、模拟量模块、继电器、接触器、触控屏及数据接口等元器件组成。该部分是整个控制系统的核心部分,系统的控制逻辑由该部分实现,主要负责采集温度、压力、设备运行状态等各种参数,远程控制相应热泵机组、水泵以及电动阀的起停。系统拓扑图如图5所示。

图5 系统拓扑图

机房电气控制如下:① 机组根据系统水温度控制开机台数,机组进口电动阀与空调侧循环水泵联动,即开1台水泵时1台机组2个电动阀开启。② 空调侧循环水泵的控制根据室内负荷大小控制起停数量。③ 地埋侧循环泵的控制根据负荷大小控制起停数量,可与机组联动。④ 空调集水器处电动阀按时间控制起停。⑤ 地埋侧分水器处电动阀按负荷及起停时间共同控制起停。⑥ 其余均按公司常规设计。

智能控制系统内部参数可通过现场的触摸屏查看,也可以通过监控中心的电脑查看,方便快捷,可实现系统的开关机,监视机组、循环泵、电动阀等设备的运行状态及故障状态,在设备出现故障时可发出报警信号。采用图形化界面显示设备状态,随时检测机组空调侧进出水温度、地埋侧进出水温度,自动生成运行温度报表。管理员身份可进入后台修改内部参数,可选择周日或周六是否开启,自由点击进行切换。空调自控系统界面如图6所示。

图6 空调自控系统界面

6 结 语

地源热泵系统作为建筑设备中的重要部分,做好其电气设计至关重要。这需要关注行业动态,把握行业方向,做好电气的配电与控制,选择好电器元件、电力电缆,做好机组、水泵及各类温度、流量、压力等参数的综合调控,使系统更加方便而且节能。