黃越洋，毛慧德，石元博，解 瑩

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；3.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順113001）

基于PLC的小型地源熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃越洋1，毛慧德1，石元博2，解 瑩3

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；3.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順113001）

針對(duì)能源緊缺與環(huán)境問題，提出以太陽能和地源熱泵聯(lián)合供熱制冷的方法。本文通過研究地源熱泵機(jī)組工作原理，地源熱泵各部分工作特點(diǎn)，提出地源熱泵供熱系統(tǒng)整體控制方案，同時(shí)加入交換機(jī)，利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)實(shí)地測(cè)試，可以得出地源熱泵控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的鍋爐、空調(diào)相比，具有污染小、能源轉(zhuǎn)化率高、性能更好的優(yōu)點(diǎn)。

地源熱泵；PLC；組態(tài)軟件；聯(lián)合供暖制冷

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鍋爐供熱和空調(diào)制冷模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求。而地源熱泵技術(shù)的興起，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)供熱制冷系統(tǒng)的缺陷，所以地源熱泵的研究意義重大[1-2]。

地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)。地源熱泵，冬季把地下土壤中儲(chǔ)存的熱量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下儲(chǔ)存的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，達(dá)到冬季供熱夏季制冷目的，在一年中就形成一個(gè)冷熱循環(huán)[3]。地源熱泵控制系統(tǒng)集自動(dòng)切換、數(shù)據(jù)采集、超限保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控、用戶自定義等功能于一體，達(dá)到遠(yuǎn)程控制與改善運(yùn)行效果的目的。地源熱泵以其出色的節(jié)能特性，被廣泛應(yīng)用于于各行各業(yè)，主要包括商城、賓館、辦公大樓、學(xué)校等建筑，特別適用于小型別墅[4-8]。

地源熱泵技術(shù)需要一套完整的控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境，來獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制策略已經(jīng)取得了一定成就，文獻(xiàn)[11]從經(jīng)濟(jì)角度研究了地源熱泵控制系統(tǒng)的可行性；文獻(xiàn)[12]采用單片機(jī)來控制地源熱泵控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[13]采用 PLC來控制地源熱泵控制系統(tǒng)。

文中在傳統(tǒng)地源熱泵基礎(chǔ)，提出以太陽能和地源熱泵聯(lián)合方式進(jìn)行供熱制冷。同時(shí)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，將采用專用PLC來控制地源熱泵控制系統(tǒng)。

1 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)來源為某高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)生態(tài)樓供暖制冷項(xiàng)目，供演示教學(xué)使用。建筑共4層，地上3層，地下1層。地源熱泵控制系統(tǒng)要求：樓內(nèi)溫度按照季節(jié)與環(huán)境溫度變化，使樓內(nèi)溫度適宜。系統(tǒng)分為兩部分：1）上位機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。2）下位機(jī)地源熱泵系統(tǒng)（部分）[14]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)自上而下分為3個(gè)層次，上層為計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面（有組態(tài)王軟件搭建），在1樓主控制室中；中層為數(shù)據(jù)傳輸層，采用以太網(wǎng)通信方式線路連接，通信協(xié)議采用Modbus TCP/IP協(xié)議；下層為儀表、設(shè)備與控制器組成，控制器向設(shè)備發(fā)送指令或者接收設(shè)備發(fā)送上來的數(shù)據(jù)。采用數(shù)字量、模擬量直連控制器或者RS485異步串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中RS485方式通信協(xié)議采用串行鏈路Modbus協(xié)議[15]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

2.1 地源熱泵系統(tǒng)工作原理

地源熱泵系統(tǒng)核心裝置為地源熱泵機(jī)組，機(jī)組內(nèi)部蒸發(fā)器與冷凝器用來供熱制冷。利用壓縮機(jī)進(jìn)行流體輸送，實(shí)現(xiàn)能量交換。原理如圖2所示。粗線代表熱量高的介質(zhì)，細(xì)線代表熱量低的介質(zhì)，虛線代表熱量變化的區(qū)域。

圖2 機(jī)組原理

2.2 地源熱泵系統(tǒng)工作模式

本系統(tǒng)為太陽能和地源熱泵聯(lián)合供熱制冷系統(tǒng)。系統(tǒng)工作模式分為冬季采暖、夏季空調(diào)和過渡季補(bǔ)熱，同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和超限保護(hù)系統(tǒng)保證系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行[16]。

1）冬季采暖模式：太陽能集熱系統(tǒng)為地源熱泵系統(tǒng)輔助供熱。進(jìn)入冬季采暖模式，對(duì)應(yīng)閥門開啟，然后啟動(dòng)地埋管循環(huán)泵與空調(diào)側(cè)循環(huán)泵，水流開關(guān)顯示正常后，啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組并啟動(dòng)機(jī)組上的制熱模式，啟動(dòng)太陽能采暖一次泵與太陽能采暖二次泵，太陽能為系統(tǒng)補(bǔ)熱。

2）夏季空調(diào)模式：分為4種子模式，分別用符號(hào)①②③④表示。子模式①②不開啟熱泵機(jī)組，空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水通過地埋管換冷板式換熱器與地埋管系統(tǒng)交換熱量，由此降低樓內(nèi)溫度；子模式③④室內(nèi)對(duì)空調(diào)要求較高時(shí)，熱泵機(jī)組開啟，為室內(nèi)空調(diào)末端提供冷凍水。其中子模式②④井群1為室內(nèi)制冷，井群2用作太陽能補(bǔ)熱，并啟動(dòng)地埋管補(bǔ)熱循環(huán)泵。

3）過渡季補(bǔ)熱模式：春秋季過渡季節(jié)，啟動(dòng)太陽能采暖一次循環(huán)泵和地埋管補(bǔ)熱循環(huán)泵，太陽能集熱器采集熱量通過環(huán)路循環(huán)到地下。

4）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括

①單項(xiàng)電表電力信息采集系統(tǒng)：采集系統(tǒng)電壓、電流、功率和電量信息。

②出口溫度采集系統(tǒng)：對(duì)管路、板式換熱器等管路出口進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

③供水流量采集系統(tǒng)：對(duì)供水流量、瞬時(shí)流速、累加總量等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5）超限保護(hù)系統(tǒng)包括：

①閥門反饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：通過監(jiān)測(cè)閥門自身反饋信號(hào)來監(jiān)視閥門開啟關(guān)閉結(jié)果，若出現(xiàn)故障，對(duì)其編號(hào)進(jìn)行報(bào)警從而快速修理。

②循環(huán)泵監(jiān)視系統(tǒng)：對(duì)水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程接收反饋信號(hào)，判斷循環(huán)泵是否運(yùn)行正常。

③水箱自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)水箱水位，控制安裝在自來水管上的電磁閥，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)水功能。

④水流開關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：使用水流開關(guān)對(duì)循環(huán)泵出口的水流狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，顯示循環(huán)水泵是否正常工作或者管路是否通暢。

⑤溫度上下限保護(hù)系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)所在位置溫度，系統(tǒng)可設(shè)置溫度上下限，溫度高于設(shè)定上限或者低于設(shè)定下限時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)，先停止機(jī)組運(yùn)行，3分鐘后停止循環(huán)水泵。

⑥集（分）水器差壓保護(hù)系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)地埋管側(cè)和空調(diào)側(cè)供回水的壓力，系統(tǒng)設(shè)置差壓上下限。當(dāng)系統(tǒng)差壓超過上限時(shí)，打開分集水器聯(lián)通的電動(dòng)閥平衡系統(tǒng)壓力。當(dāng)空調(diào)側(cè)壓力低于壓力下限時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)水水泵為空調(diào)側(cè)系統(tǒng)補(bǔ)水。

3 地源熱泵控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 位機(jī)遠(yuǎn)程集成中控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件搭建人機(jī)交互界面（HMI）。上位機(jī)中設(shè)有管理員組與觀察組。其中只有管理員組有權(quán)限修改系統(tǒng)控制參數(shù)。上位機(jī)界面中設(shè)計(jì)有主控界面、閥門總覽、水泵調(diào)頻、溫度監(jiān)測(cè)與差壓保護(hù)系統(tǒng)界面、水流流量監(jiān)測(cè)、電力信息監(jiān)測(cè)、管理員配置界面。

主控界面主要顯示每組閥門動(dòng)作狀態(tài)、工作模式選擇、地源熱泵機(jī)組溫度信息和水泵控制狀態(tài)信息。在主控界面中點(diǎn)擊按鈕，對(duì)對(duì)應(yīng)閥門狀態(tài)和水泵工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖3所示，圖中左側(cè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髂Ｊ竭x擇區(qū)域，中間區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)信息顯示區(qū)域，右側(cè)區(qū)域?yàn)殚y門總覽區(qū)域。

圖3 主控界面

溫度與差壓界面主要顯示各組換熱器進(jìn)出口溫度、管理員配置好的系統(tǒng)控制參數(shù)、分集水器兩端壓力以及調(diào)壓閥的狀態(tài)。溫度與差壓界面如圖4所示，左側(cè)區(qū)域?yàn)閾Q熱器溫度信息顯示區(qū)域，中間區(qū)域?yàn)楣芾韱T控制參數(shù)設(shè)置；右側(cè)區(qū)域?yàn)榉旨餍畔@示。

圖4 溫度與差壓界面

3.2 運(yùn)行結(jié)果及分析

下面以冬季采暖模式為例（其中制熱上限43℃，下限40℃），地源熱泵機(jī)組共2臺(tái)，空調(diào)側(cè)循環(huán)泵共3臺(tái)為2用1備，地埋管循環(huán)泵共3臺(tái)，為2用1備，電動(dòng)蝶閥共38個(gè)[17]。

下圖5為冬季采暖供熱模式的流程圖。進(jìn)入冬季采暖模式，閥門1、3、4，7打開，閥門2、5、6關(guān)閉。閥門正常開啟3分鐘后開始啟動(dòng)循環(huán)水泵，若閥門啟動(dòng)故障，則停止水泵的啟動(dòng)，系統(tǒng)對(duì)故障閥門編號(hào)進(jìn)行報(bào)警。閥門信息反饋正確后，啟動(dòng)地埋管循環(huán)泵，水泵反饋信號(hào)正常1分鐘后啟動(dòng)下一項(xiàng)，否則停止啟動(dòng)下一項(xiàng)。正常啟動(dòng)地埋管循環(huán)泵后，啟動(dòng)空調(diào)側(cè)循環(huán)泵，若出現(xiàn)故障處理同地埋管循環(huán)泵。當(dāng)所有工作的地埋管循環(huán)泵與空調(diào)側(cè)循環(huán)泵正常運(yùn)行3分鐘后，對(duì)應(yīng)的水流開關(guān)顯示水流正常后，啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組并啟動(dòng)機(jī)組上的制熱模式，如果機(jī)組水流未正常循環(huán)，則停止啟動(dòng)下一項(xiàng)，并顯示故障水流開關(guān)編號(hào)。故障解除后，重新啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組。地源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行10分鐘后，啟動(dòng)太陽能采暖一次泵，正常運(yùn)行后啟動(dòng)太陽能采暖二次泵，太陽能為系統(tǒng)補(bǔ)熱。

圖5 冬季采暖供熱模式流程圖

下面對(duì)冬季模式下熱泵溫度變化進(jìn)行測(cè)試，時(shí)間選取20分鐘，溫度變化如表1所示。

表1 溫度變化

4 結(jié) 論

隨著世界能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，地源熱泵控制系統(tǒng)必然將取代統(tǒng)鍋爐供熱與空調(diào)制冷模式[9]。使用地源熱泵控制系統(tǒng)的供暖制冷方式可以有效地控制環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展。本文中對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制方案，最終實(shí)現(xiàn)了地源熱泵系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行與遠(yuǎn)程控制的目的，在以后的工作中會(huì)繼續(xù)努力加強(qiáng)對(duì)此技術(shù)的研究。

[1]趙桂章.地源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀及新方法研究[J].山西建筑，2013，7（3）:124-125.

[2]金家勝.建筑工程技術(shù)中的節(jié)能與環(huán)境保護(hù)新技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2012，31（11）:149-150.

[3]張國(guó)柱，夏才初，孫猛，等.寒區(qū)隧道地源熱泵供熱系統(tǒng)及優(yōu)化分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（4）:610-615.

[4]武佳琛，張旭，周翔，等.基于運(yùn)行策略的某復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化分析[J].制冷學(xué)報(bào)，2014（2）:6-12，29.

[5]齊游洋，辛立民.淺談地源熱泵技術(shù)[J].四川建材，2015，10（5）:41.

[6]劉艦，董傲霜，姜國(guó)偉.土壤源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用分析研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，33（3）:171.

[7]陳文飛.建筑智能化工程全過程造價(jià)控制探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（11）:99，244.

[8]倪曉偉.建筑智能化工程問題與建議[J].商業(yè)故事，2015（25）:32.

[9]汪波.杭州武林府公寓生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)[J].空調(diào)制冷，2013，43（1）:76-79.

[10]李如意，汪會(huì)財(cái)，侯興哲，等.面向智能樓宇的互動(dòng)節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用，2015（S2）: 63-68，174.

[11]姜寶成，王永鏢，李炳熙.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（2）:195-198，202.

[12]杜春旭.小型地源熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)，2005.

[13]林昕，陳海霞.PLC在地源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].智能建筑，2010（117）:69-71.

[14]蔣曉峰，施偉鋒.基于觸摸屏和PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（1）: 122-125.

[15]李忠.智能樓宇中通信自動(dòng)化系統(tǒng)的引用思考[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（12）:250-251.

[16]陳正順，余躍進(jìn).混合式地源熱泵夏季運(yùn)行的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2015（6）:66-68，55.

[17]韓宗偉，丁慧婷，李先庭，等.季節(jié)性蓄存空氣熱能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（3）:439-443.

[18]吳東林.基于PLC的危險(xiǎn)氣體存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（6）：97-99.

[19]康紅明，賈春鳳，李偉,等.基于PLC的液位和溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015（6）：45-47，51.

The design and application of small ground-source heat pump control system based on PLC

HUANG Yue-yang1，MAO Hui-de1，SHI Yuan-bo2，XIE Ying3
（1.The School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；2.The School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；3.The College of Chemistry Chemical Engineering and Environmental Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

Aiming at the shortage of energy and environmental problems，the method of using solar energy and ground source heat pump for heating and cooling is put forward.In this paper，the ground source heat pump working principle is studies.Then，according to the working characteristic of the ground source heat pump，put forward overall control scheme of a ground source heat pump heating system.At the same time，we add switches and use TCP/IP protocol to remote monitoring.Through continuous field testing of the system，it can be concluded that the ground source heat pump control system has the advantages of less pollution，high energy conversion rate and better performance than the traditional boiler and air conditioning.

ground-source heat pump；PLC；kingview；joint heating and cooling

TN913

A

1674－6236（2017）10-0074-04

2016-06-27稿件編號(hào)：201606206

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（L2014150）；遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（201501104）

黃越洋（1981—），女，遼寧昌圖人，博士研究生，講師。研究方向：工業(yè)過程先進(jìn)控制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。