鄒 華 國

(山東正鑫工程設計有限公司 濰坊分公司, 山東 濰坊 261000)

0 引 言

建筑行業(yè)中的供暖制冷有著很大的能源消耗,在更好地促進行業(yè)發(fā)展的同時,降低其能耗顯得至關重要。地源熱泵系統(tǒng)的電氣設計關系著整個系統(tǒng)的能源消耗[1]。對地源熱泵系統(tǒng)電氣設計進行探討,可以更好地節(jié)能,減少碳排放。本文以威海某實踐基地地源熱泵供暖制冷系統(tǒng)為例進行分析探討。

1 地源熱泵系統(tǒng)的運行原理及優(yōu)點

1.1 運行原理

地源熱泵系統(tǒng)主要由室外系統(tǒng)、機組系統(tǒng)和室內(nèi)末端系統(tǒng)組成。地下溫度常年較為穩(wěn)定,地源熱泵正是利用了這一點,把室外管路系統(tǒng)深埋于地下,通過熱泵原理進行了能量交換。夏天取出地下的冷量制冷,冬天取出熱量供熱,僅需要消耗少量的電能就能驅(qū)動機組進行循環(huán),達到制冷供暖的目的。

1.2 優(yōu)點

地源熱泵系統(tǒng)的換熱方式與其他空調(diào)系統(tǒng)不同,這使得它具有其他制冷供暖系統(tǒng)沒有的優(yōu)點:① 高效節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率比鍋爐供熱系統(tǒng)高,且運行費用低。而鍋爐供用戶使用的熱量并不是很高,但運行費用高。因為土壤的溫度較為穩(wěn)定,與傳統(tǒng)的空氣能熱泵相比,制冷、制熱系數(shù)高,而且運行費用低。② 傳統(tǒng)的鍋爐在冬季供暖時會產(chǎn)生有害的氣體、固體及液體,對環(huán)境造成影響。而地源熱泵系統(tǒng)運行中不產(chǎn)生任何的污染物,可實現(xiàn)綠色環(huán)保,節(jié)能降耗。③ 操作簡單易學。地源熱泵系統(tǒng)可采用傳統(tǒng)的單片機控制方式,也可采用PLC控制方式[2],最終都是在觸摸屏上操作,控制界面清晰,操作流程簡單,只需要短時的培訓即可上手。像戶用的電表一樣可以實現(xiàn)分戶收費,讓住戶產(chǎn)生良好的使用體驗。④ 整個系統(tǒng)的安全可靠性高。機組選用的壓縮機、換熱器、電子膨脹閥等主要部件均為知名品牌,質(zhì)量可靠,不管環(huán)境如何變化,運行穩(wěn)定,不會出現(xiàn)大的故障。每臺機組可以獨立控制,自成系統(tǒng)。⑤ 家用空調(diào)和燃氣鍋爐的壽命一般都在十年以下,而地源熱泵機組壽命在十年以上,循環(huán)系統(tǒng)壽命在二十年以上,地埋管系統(tǒng)壽命更長[3]。⑥ 遠程智能控制?？梢酝ㄟ^監(jiān)控中心查看系統(tǒng)參數(shù),監(jiān)控系統(tǒng)能耗,通過算法優(yōu)化機組、水泵的運行臺數(shù),實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。各類運行數(shù)據(jù)、故障類型可存儲打印,方便后期調(diào)整[4]。⑦ 后期維修保養(yǎng)費用較低。地源熱泵系統(tǒng)沒有室外設備,不會出現(xiàn)一些常規(guī)的維護費用,壓縮機運行穩(wěn)定可靠,故障率低,用起來省心。⑧ 應用場合廣泛。不管是改擴建工程還是新建工程,都可安裝地源熱泵系統(tǒng)。

2 地源熱泵配電系統(tǒng)的設計

2.1 配電系統(tǒng)

此工程由3臺SM-200LR機組、4臺空調(diào)循環(huán)泵、2臺空調(diào)補水泵、4臺地埋循環(huán)泵、2臺地埋補水泵、12臺電動閥組成,循環(huán)泵、補水泵均有1臺備用。地源熱泵整個配電系統(tǒng)主要包括對機組的配電、對空調(diào)循環(huán)泵和地埋循環(huán)泵的配電、對空調(diào)補水泵和地埋補水泵的配電、對電動閥的配電等,其中對機組的配電是核心。機組配電的好壞直接關系到整個系統(tǒng)的長期運行。

2.2 機組配電系統(tǒng)

機組包括的電氣部件主要有壓縮機、25%電磁閥、50%電磁閥、75%電磁閥、中間噴液閥、回油電磁閥、液路電磁閥、電機噴液閥、機內(nèi)保護、排氣溫度、壓機高壓開關、壓機低壓開關、壓機過載開關和過熱開關部件。機組控制箱主要由斷路器、接觸器、控制板、電子膨脹閥驅(qū)動模塊、變壓器、相序保護器及中間繼電器等組成。該機組壓縮機功率大、起動電流大,因此對壓縮機配電采用星三角起動方式,避免了直接起動對壓縮機的損壞和對電網(wǎng)的沖擊。壓縮機主回路圖如圖1所示。

配套部件主要有空調(diào)水流量開關、地埋水流量開關、空調(diào)水泵過載信號、地埋水泵過載信號、蒸發(fā)側(cè)供回水溫度、冷凝側(cè)供回水溫度等。對這些部件的控制主要通過設置在機組控制箱內(nèi)的控制板及操作面板來實現(xiàn)。操作面板通過RS-485通信對控制板進行參數(shù)的讀寫及機組的控制。通過對流量開關、電磁閥、進出口溫度、排氣溫度、壓力的實時檢測,控制壓機的起停及加載減載,更好地實現(xiàn)能量調(diào)節(jié),達到節(jié)能降耗的目的。地源熱泵配電系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

2.3 循環(huán)系統(tǒng)電氣配電

綜合考慮現(xiàn)有的GGD柜體尺寸,本次采用的柜體尺寸為800 mm×600 mm×2 000 mm,可選擇5臺柜子為其做配電。采用3臺機組的配電為1個柜子,因機組本身帶著部分配電和控制部件,所以機組配電較為簡單,主要由3個630 A斷路器和電流表、電壓表及銅排所組成。機組本身的功率較大,電流較高,進線采用銅排接線會更加方便些。空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵和空調(diào)側(cè)補水泵采用1個柜子,空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵采用斷路器、接觸器和電動機綜合保護器的方式進行配電。22 kW的循環(huán)泵功率較大,采用星三角降壓起動方式,這樣做可以降低起動電流,減輕對電網(wǎng)的沖擊。3 kW空調(diào)側(cè)循環(huán)泵采用常規(guī)的斷路器、接觸器和熱過載繼電器組合方式配電,減少柜內(nèi)接線。此柜體總進線采用225 A斷路器,可滿足要求?？照{(diào)側(cè)循環(huán)水泵的控制回路采用起動開關、停止開關、手動/自動轉(zhuǎn)換開關、熱過載繼電器的常閉觸電、3個接觸器的開閉觸電、線圈及時間繼電器,與PLC控制系統(tǒng)聯(lián)動,可實現(xiàn)手動/自動控制?？照{(diào)側(cè)補水泵采用電接點壓力表自動補水控制,同時出現(xiàn)故障時有警鈴自動報警。22 kW地埋側(cè)循環(huán)水泵和2.2 kW地埋側(cè)補水泵配電跟空調(diào)側(cè)一致。配電柜配電系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 配電柜配電系統(tǒng)圖

因電動閥數(shù)量較多,為方便布線,采用2個柜子分別控制6個電動閥。電動閥的配電較為簡單,主要由斷路器和正反轉(zhuǎn)用的接觸器組成。電動閥的功率較小,因此斷路器和接觸器均采用了較小的規(guī)格。其控制回路設置了正反轉(zhuǎn)和手動/自動的開關。最重要的是,為了更好地保護好電動閥,電動閥的開到位及關到位信號需要接入控制回路?？照{(diào)側(cè)循環(huán)泵和地埋側(cè)循環(huán)泵均用中間繼電器、接觸器輔助觸點和熱過載繼電器的觸點預留了端子,為自動控制做好準備。其運行狀態(tài)反饋信號、故障反饋信號和自動運行信號均接入端子。同樣,電動閥的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)自動控制信號、自動信號也通過中間繼電器及其輔助觸點接入端子,為PLC控制做好接線。

3 機房的電氣設計

機房的電氣設計主要包括機組、水泵的配電電纜及信號電纜選擇,電纜橋架敷設平面圖的繪制以及機房的接地設計。本工程空調(diào)機房配電柜供電采用三相五線制系統(tǒng),電壓等級為380/220 V。機房設備配電柜供電電源由強電專業(yè)自變配電室引入,地源熱泵機組和水泵設備供電由低壓配電柜引至。供電設備電源線選用0.6/1 kV國標電力電纜,采用電纜橋架敷設。

3.1 機組、水泵的配電電纜及信號電纜

機組電纜根據(jù)機組電流結(jié)合上級斷路器選用YJV-(3×185+2×95)電纜,空調(diào)循環(huán)泵及地埋循環(huán)泵根據(jù)電流及斷路器分別選用兩根YJV-(4×10)電纜,空調(diào)補水泵及地埋補水泵分別選用1根YJV-(4×2.5)電纜。機組信號電纜采用RVVP屏蔽電纜,信號電纜應根據(jù)機房現(xiàn)場情況選擇合適的敷設方式,要求敷設整齊、美觀、布置協(xié)調(diào)。信號線的敷設必須遠離機組電纜,避免因電磁干擾影響電子與計算機系統(tǒng)的正常工作。電纜及信號電纜敷設到設備時應留有合理余量。

3.2 電纜橋架敷設平面圖的繪制

根據(jù)主機電纜、循環(huán)泵電纜及補水泵電纜的截面積及橋架敷設的容量要求,結(jié)合現(xiàn)場施工敷設的難度,主橋架選用400 mm×200 mm規(guī)格橋架,至循環(huán)泵橋架選用300 mm×200 mm橋架,其他控制設備選擇穿JDG管敷設,可滿足施工要求。電纜橋架施工時需嚴格按照相關施工及驗收規(guī)范進行。電纜橋架敷設平面圖如圖4所示。

圖4 電纜橋架敷設平面圖

3.3 機房接地設計

機房接地設計需做好如下幾點:① 本項目中的等電位連接帶、金屬橋架、金屬管道、設備外殼、建筑物金屬結(jié)構等均與局部的等電位連接箱連接后,再接至大樓的等電位連接箱。② 配電柜與機組間采用6 mm2的銅導線與等電位聯(lián)結(jié)帶的連接線相連接。③ 電纜橋架間連接板的兩端做好接地,接地線截面積大于2.5 mm2。④ 所有進出機房的管道和電纜的鋼帶以及配電室的PE線應就近與等電位線連接,做成總等電位聯(lián)結(jié)。⑤ 施工完畢必須進行實測,接地電阻不大于1 Ω,否則應加大接地極直至達到本設計要求。⑥ 機房等電位連接選用40 mm×4 mm的接地扁鋼。扁鋼沿墻面固定時距離地面垂直距離25 cm,距離墻面水平距離2 cm,露出地面以上部分刷黃綠雙色漆作為色標。

4 末端電氣的設計

末端電氣主要包含主題教育館、綜合實踐活動樓、食堂、報告廳和宿舍樓的空調(diào)電氣設計,主要為風機盤管和變風量機組配電。風機盤管均為單相設備,設計時力求三相平衡,每個回路的風機盤管功率相近。變風量機組為三相設備,采用常規(guī)的斷路器加接觸器加熱過載繼電器控制方式。每臺風機盤管接線盒接線5根,高、中、低風速各用1根,接地線1根,零線1根。為了便于后續(xù)空調(diào)開關的安裝與檢修,各火線、零線、高、中、低速控制線線色分別一致。風機盤管控制開關安裝距地面1.4 m,要求敷設整齊、美觀,與室內(nèi)布置協(xié)調(diào),不得影響或破壞結(jié)構。電控箱要做好絕緣措施,構成不導電環(huán)境。一些電氣設備正常并不帶電,但絕緣層損壞后會漏電帶來危害,所以這類設備的金屬外殼、穿線金屬管、支架等均應可靠接地?？照{(diào)開關接線盒在墻體內(nèi)需提前做好預埋套管。配電箱位置盡量選擇在中間位置,以方便布線,而且可以節(jié)省材料,節(jié)約造價。箱內(nèi)漏電開關須經(jīng)檢驗合格后使用,漏電保護動作電流為30 mA,動作時間為0.1 s。

5 系統(tǒng)自控部分的設計

為了保證系統(tǒng)高效可靠運行,建立一套熱泵機房自動運行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、現(xiàn)場PLC節(jié)能控制柜以及其他執(zhí)行機構組成。監(jiān)控中心主要由服務器、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、通信等設備組成。監(jiān)控中心可采集和控制系統(tǒng)中的各種運行參數(shù),包括進出口溫度、吸排氣壓力、流量、熱泵機組、水泵、電動閥等,并實現(xiàn)各主要設備的遠程起?？刂啤１O(jiān)控中心作為熱泵系統(tǒng)的總調(diào)度中心,實時采集各種熱泵參數(shù)和各設備的運行參數(shù),實現(xiàn)遠程控制,提高管理服務水平。地源熱泵系統(tǒng)PLC柜主要由PLC控制器、數(shù)字量模塊、模擬量模塊、繼電器、接觸器、觸控屏及數(shù)據(jù)接口等元器件組成。該部分是整個控制系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)的控制邏輯由該部分實現(xiàn),主要負責采集溫度、壓力、設備運行狀態(tài)等各種參數(shù),遠程控制相應熱泵機組、水泵以及電動閥的起停。系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)拓撲圖

機房電氣控制如下:① 機組根據(jù)系統(tǒng)水溫度控制開機臺數(shù),機組進口電動閥與空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵聯(lián)動,即開1臺水泵時1臺機組2個電動閥開啟。② 空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵的控制根據(jù)室內(nèi)負荷大小控制起停數(shù)量。③ 地埋側(cè)循環(huán)泵的控制根據(jù)負荷大小控制起停數(shù)量,可與機組聯(lián)動。④ 空調(diào)集水器處電動閥按時間控制起停。⑤ 地埋側(cè)分水器處電動閥按負荷及起停時間共同控制起停。⑥ 其余均按公司常規(guī)設計。

智能控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)可通過現(xiàn)場的觸摸屏查看,也可以通過監(jiān)控中心的電腦查看,方便快捷,可實現(xiàn)系統(tǒng)的開關機,監(jiān)視機組、循環(huán)泵、電動閥等設備的運行狀態(tài)及故障狀態(tài),在設備出現(xiàn)故障時可發(fā)出報警信號。采用圖形化界面顯示設備狀態(tài),隨時檢測機組空調(diào)側(cè)進出水溫度、地埋側(cè)進出水溫度,自動生成運行溫度報表。管理員身份可進入后臺修改內(nèi)部參數(shù),可選擇周日或周六是否開啟,自由點擊進行切換。空調(diào)自控系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 空調(diào)自控系統(tǒng)界面

6 結(jié) 語

地源熱泵系統(tǒng)作為建筑設備中的重要部分,做好其電氣設計至關重要。這需要關注行業(yè)動態(tài),把握行業(yè)方向,做好電氣的配電與控制,選擇好電器元件、電力電纜,做好機組、水泵及各類溫度、流量、壓力等參數(shù)的綜合調(diào)控,使系統(tǒng)更加方便而且節(jié)能。