魏 華，蒙聯(lián)光

（廣西經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530021）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人民對(duì)工作、生活環(huán)節(jié)的舒適度要求越來越高，辦公、商業(yè)、住宅等現(xiàn)代化建筑的供熱已經(jīng)成為普遍的要求。與此同步增長的是建筑能耗。建筑能耗主要包括采暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、炊事、家用電器和熱水供應(yīng)等方面。統(tǒng)計(jì)表明，我國建筑能耗約占社會(huì)總能耗的30%，其中，熱水供應(yīng)約占建筑能耗的15%。建筑節(jié)能已經(jīng)成為世界節(jié)能主題，本文僅討論建筑節(jié)能中的熱水供應(yīng)節(jié)能問題。

常見的供熱方式有電阻式、電動(dòng)空氣源熱泵、燃油和燃?xì)忮仩t、地源熱泵。前三者的一次能源利用率約為30%，因能源利用率低、大氣污染嚴(yán)重、運(yùn)行費(fèi)用高而被逐步淘汰和限制使用；地源熱泵的一次能源利用率大于40%，它與變頻恒壓相結(jié)合，構(gòu)成變頻節(jié)能恒壓熱水供水系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各方面都具有明顯的優(yōu)越性。特別是城鎮(zhèn)住宅小區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目中的節(jié)能措施，國家有相關(guān)的強(qiáng)制規(guī)定?，F(xiàn)以該系統(tǒng)為例，對(duì)PLC編程和變頻運(yùn)行參數(shù)設(shè)置進(jìn)行研究。

1 地源熱泵熱水系統(tǒng)恒壓供水簡介

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366—2005）指出，地源熱泵系統(tǒng)是“以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩础钡墓峥照{(diào)系統(tǒng)，2003年出版的《ASHRA E H and book Applications(SI)》把地源熱泵定義為“是一種使用土壤、地下水、地表水作為熱源和熱匯的熱泵系統(tǒng)”。換而言之，地源熱泵技術(shù)能夠通過輸入少量高位能，把不能直接利用的低位熱源作為冬季采暖熱源和夏季制冷冷源，利用熱泵，轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱源，以滿足公用、商業(yè)、住宅等建筑冬季采暖、夏季制冷及全年熱水供應(yīng)，達(dá)到節(jié)省高位能的目的，是非常典型的高效、節(jié)能、環(huán)保，能實(shí)現(xiàn)可再生和可持續(xù)發(fā)展的能源利用新技術(shù)。

圖1 地源熱泵地下?lián)Q熱原理示意圖

其中，高位能包括煤、燃?xì)?、油、電能等；低位熱能普遍存在且可再生，包括淺層地?zé)崮?、地表熱能，如巖石和土壤、地下水、地表水(包括江河湖海水)中的熱能，太陽能，生活和生產(chǎn)廢熱等；“熱泵”是一種能效較高的節(jié)能裝置，作用是借助于埋藏在地下的換熱器，從巖石和土壤等低位熱源吸取能量，并利用高位能傳遞給高位熱源，其工作原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)證明，地源熱泵從巖石或土壤中“搬運(yùn)（取得）”4 kw的淺層地能只需要不到1kw的電能，能效比高達(dá)25%以上；使用1度電，電熱水器產(chǎn)生817千卡的熱量，地源熱泵產(chǎn)生3870千卡熱量，地源熱泵的能效是電熱水器的4.7倍。

把地源熱泵技術(shù)生產(chǎn)的55℃的熱水，用變頻恒壓供水技術(shù)向高層住戶輸送生活熱水，衍生出一種“雙重節(jié)能”的高效、環(huán)保、可再生、可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，即地源熱泵熱水系統(tǒng)恒壓供水技術(shù)（簡稱熱水系統(tǒng)，以下同）。

2 熱水系統(tǒng)電路組成

熱水系統(tǒng)由主電路和控制電路組成。其中，主電路包括電源開關(guān)1～5 QF、熔斷器FU、交流接觸器1～6 KM、熱繼電器FR 1～FR 3、水泵電機(jī)（三臺(tái)5.5 kW）、變頻器ACS 510等，如圖2所示。它采用“一拖三”的控制模式，即一臺(tái)變頻器ACS 510控制三臺(tái)水泵電機(jī)?？刂齐娐分饕蒔LC（S 7-200 CPU 224）、轉(zhuǎn)換開關(guān)1 SAC等組成，如圖3所示。其中，轉(zhuǎn)換開關(guān)1 SAC控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)：自動(dòng)、手動(dòng)、停止；斷路器1 QF～5 QF與6個(gè)交流接觸器配合，既能控制1＃、2＃、3＃水泵電機(jī)工頻——變頻切換，又能控制1＃、2＃、3＃水泵電機(jī)同時(shí)或單獨(dú)運(yùn)行在工頻狀態(tài)；PLC控制6個(gè)交流接觸器的通斷；變頻器ACS 510通過變頻調(diào)速，控制1＃、2＃、3＃水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制熱水系統(tǒng)的供水量。

3 熱水系統(tǒng)電路工作原理

熱水系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，手動(dòng)工作狀態(tài)一般在自動(dòng)工作狀態(tài)有故障或系統(tǒng)維護(hù)時(shí)采用，本文只分析自動(dòng)工作狀態(tài)下電機(jī)工頻和變頻工作狀態(tài)的切換。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)主電路圖

圖3 恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖

設(shè)定恒壓熱水供水用戶管網(wǎng)壓力給定值，將轉(zhuǎn)換開關(guān)1 SAC置“自動(dòng)”位，啟動(dòng)熱水系統(tǒng)，變頻器ACS510軟起動(dòng)1＃泵電機(jī)，1＃泵電機(jī)變頻運(yùn)行。

用水高峰期，系統(tǒng)用水量增加，揚(yáng)程降低，供水水壓下降，供水量不足，甚至于水龍頭不出水。變頻器ACS 510根據(jù)用戶管網(wǎng)壓力反饋信號(hào)，上調(diào)1＃泵電機(jī)頻率，使其轉(zhuǎn)速上升，供水水壓上升；當(dāng)變頻器ACS 510調(diào)到上限頻率時(shí)，若供水水壓仍然小于設(shè)定值，PLC自動(dòng)將1＃泵電機(jī)切換到工頻狀態(tài)，軟啟動(dòng)2＃泵電機(jī)，2＃泵電機(jī)變頻運(yùn)行；若還不能滿足要求，則1＃、2＃泵電機(jī)切換到工頻狀態(tài)，軟啟動(dòng)3＃泵電機(jī)，3＃泵電機(jī)變頻運(yùn)行。

此時(shí)，若系統(tǒng)用水量下降，揚(yáng)程升高，供水水壓上升，供水量偏大，變頻器ACS 510根據(jù)用戶管網(wǎng)壓力反饋信號(hào)，下調(diào)3＃泵電機(jī)頻率，使其轉(zhuǎn)速、供水水壓下降，直至變頻器ACS 510調(diào)到下限頻率軟停車，PLC將2＃泵電機(jī)由工頻切換到變頻狀態(tài)，維持恒壓供水，以此類推。

這樣，變頻器ACS 510根據(jù)用戶管網(wǎng)壓力反饋信號(hào)不斷調(diào)節(jié)輸出交流電頻率，通過電機(jī)的工頻——變頻切換及變頻調(diào)速的配合，保證用戶管網(wǎng)壓力始終維持在恒壓供水的設(shè)定值。系統(tǒng)的節(jié)能由電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速工作狀態(tài)決定。

4 熱水系統(tǒng)PLC控制程序編程

PLC控制程序的編程在專用的編程器上進(jìn)行，步驟如下：1）根據(jù)圖3交流控制原理圖的控制原理，畫出梯形圖；2）根據(jù)梯形圖寫出語句表；3）用匯編語言編好控制程序；4）在專用的編程器上反復(fù)修改，直至滿意；5）寫入PLC可編程序控制器。

PLC外圍端子主要與按鈕、接觸器觸點(diǎn)、電源、變頻器等連接，如圖4所示。具體接線、編程和寫入方法請(qǐng)參閱《S 7-200 CPU 224》用戶說明書和《電氣控制及可編程序控制器》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

筆者設(shè)計(jì)的PLC控制程序編程語句表如下所示，僅供參考。

LD I 1.0 // 減泵命令1，此時(shí)1＃、2＃泵工頻，3＃泵變頻

圖4 PLC（CPU224）外圍接線圖

ANI 0.1

AI 0.2

ANI 0.3

AI 0.4

AI 0.5

ANI 0.6

= M 0.0

LDI 1.0 // 減泵命令2，此時(shí)1＃泵工頻，2＃泵變頻，3＃泵停止

ANI 0.1

AI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.1

LDI 0.7 // 增泵命令1，此時(shí)1＃泵變頻

AI0.1

ANI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.2

LDI 0.7 // 增泵命令2，此時(shí)1＃泵工頻，2＃泵變頻

ANI 0.1

AI0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.3

LDI 0.1 //故障報(bào)警顯示

AI 0.2

LDI 0.3

AI 0.4

OLD

LDI 0.5

AI 0.6

OLD

OSM 0.0

O Q 0.0

ANI 0.0

=Q 0.0

LDI 0.0 // 減泵命令2，將1＃號(hào)泵切換到變頻，自保持，直至增泵命令1下達(dá)。

ANI 0.1

ANI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

LDQ 0.1

ANM 0.2

OLD

O M 0.1

ANI 1.1

ANI 1.4

= Q 0.1

LDM 0.2 // 增泵命令1，將1＃泵切換至工頻，自保持，直到增泵命令2或者減泵命令2下達(dá)

LDQ 0.2

ANM 0.1

ANM 0.3

OLD

ANI 1.1

ANI 1.4

= Q 0.2

LDI 0.2 // 延時(shí)3秒。

TONT 37, +30

LDT 37 // 變頻啟動(dòng)2＃泵，自保持，直到增泵命令2或者減泵命令2下達(dá)

OM 0.0

LDQ 0.3

ANM 0.1

ANM 0.3

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.3

LDM 0.3 // 增泵命令2，將2＃泵切換至工頻，自保持，直到減泵命令1下達(dá)

LDQ 0.4

ANM 0.0

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.4

LDI 0.4 // 延時(shí)3秒。

TONT 38, +30

LDT 38 // 變頻啟動(dòng)3＃泵， 自保持，直至減泵命令1下達(dá)

LDQ 0.5

ANM 0.0

OLD

ANI 1.3

ANI 1.4

= Q 0.5

LDM 0.3 // 增泵命令，此時(shí)1＃、2＃、3＃泵在工頻，直至減泵命令1下達(dá)

LDQ 0.6

ANM 0.0

ANM 0.1

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.6

LDQ 0.1 // 啟動(dòng)變頻器。

O Q 0.3

OQ 0.5

ANI 0.6

ANI 0.4

ANI 0.2

ANI 0.0

ANI 1.4

= Q 0.7

5 熱水系統(tǒng)變頻器ACS510運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，節(jié)能指標(biāo)能否達(dá)到，關(guān)鍵在于變頻器運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。作者設(shè)計(jì)好的變頻器運(yùn)行參數(shù)輸入數(shù)據(jù)如表1，可供參考。

變頻器是現(xiàn)代高新科技電子產(chǎn)品，其運(yùn)行參數(shù)的輸入是難度較高的技術(shù)，要注意設(shè)備安全和人身安全。ACS 510變頻器外圍端子接線請(qǐng)參閱ACS 510變頻器用戶說明書，如圖5所示。在斷電情況下，按照設(shè)計(jì)圖紙，將變頻器外圍接線端子用不同的專用纜線與電源、電動(dòng)機(jī)、遠(yuǎn)傳壓力表、PLC可編程控制器連接好，并詳細(xì)檢查其連接可靠性。

表1 ACS510變頻器恒壓供水運(yùn)行參數(shù)表

最后，經(jīng)過檢查準(zhǔn)確無誤后，按照ACS 510變頻器用戶使用說明書的規(guī)程進(jìn)行操作，在“交流變頻調(diào)速實(shí)訓(xùn)裝置”上，進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行參數(shù)輸入操作和通電測試。具體調(diào)試方法可參照《ACS 600系列變頻器的初始啟動(dòng)參數(shù)及其節(jié)能運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置》（第二作者蒙聯(lián)光《廣西節(jié)能》，2004.）。

6 熱水系統(tǒng)系統(tǒng)測試

圖5 ACS510端子接線示意圖

將轉(zhuǎn)換開關(guān)1 SAC置“自動(dòng)”位，合電源開關(guān)1～5 QF，按下起動(dòng)按鈕7 SB，1 KM 得電，1＃泵電機(jī)帶變頻器軟啟動(dòng)，變頻運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)用水量上升時(shí)，變頻器頻率隨用水量的上升而上調(diào)，若調(diào)到最高頻率時(shí)用戶管網(wǎng)壓力仍低于給定值，則變頻器向PLC的I 0.7輸出增泵信號(hào)；PLC發(fā)出指令，Q 0.1接 通 1 KM線 圈， Q 0.2斷開 2 KM線圈，1＃泵電機(jī)切除變頻器，由變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)；定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，變頻器由50 Hz的最高頻率逐漸下調(diào)到30～35 Hz的最低頻率；定時(shí)時(shí)間3 s到，Q 0.3接通3 KM線圈，2＃泵電機(jī)帶變頻器軟啟動(dòng)，變頻運(yùn)行。若用戶管網(wǎng)壓力還沒有達(dá)到給定值，則按程序切換2＃泵電機(jī)到工頻，再使3＃泵電機(jī)帶變頻器軟啟動(dòng)，變頻運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)用水量下降時(shí)，變頻器頻率隨用水量的下降而下調(diào)，若調(diào)到最低頻率時(shí)用戶管網(wǎng)壓力仍高于給定值，則變頻器ACS 510向PLC的I 1.0輸出減泵信號(hào)；Q 0.3斷開3 KM線圈，2＃泵電機(jī)軟停車；Q 0.1接通1 KM線圈，Q 0.2斷開2 KM線圈，1＃泵電機(jī)由工頻切換到變頻。

系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵如下：一是延遲時(shí)間設(shè)置為3 s，保證變頻器從最高頻率返回最低頻率，減小處于靜止?fàn)顟B(tài)的高位水泵電機(jī)的啟動(dòng)電流，防止啟動(dòng)電流損壞電機(jī)，；二是最低頻率設(shè)置為30 Hz～35 Hz，防止水泵在臨界轉(zhuǎn)速出現(xiàn)“空轉(zhuǎn)”，引發(fā)系統(tǒng)振蕩；三是設(shè)置軟停車功能，避免系統(tǒng)“水錘”效應(yīng)。

7 結(jié)束語

地源熱泵技術(shù)與變頻恒壓供水有機(jī)結(jié)合，是獲得和利用廉價(jià)、清潔、可再生、普遍存在的能源的高新技術(shù)。尤其是PLC的正確編程，變頻器參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置，難度高，工作繁雜。筆者對(duì)多套系統(tǒng)進(jìn)行了耐心、細(xì)致的反復(fù)設(shè)置、調(diào)試，得出了保證系統(tǒng)安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行的PLC語句表和變頻器運(yùn)行參數(shù)表，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益初見成效，建議在人員密集、用熱水量大的場合，如智能住宅小區(qū)、大學(xué)和中學(xué)學(xué)生宿舍、綜合辦公大樓、大型商場、星級(jí)酒店、美容美發(fā)中心、健身中心、泳池等現(xiàn)代智能建筑中大力推廣。

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