地源热泵与冰蓄冷耦合系统测试研究(年会格式终稿)

地源热泵与冰蓄冷空调耦合系统的测试平台及其性能研究黄其，王玉刚，毛佳妮，匡环（中国计量学院计量测试工程学院，浙江省杭州市，310018）摘要：针对地源热泵与冰蓄冷耦合系统进行研究，设计了一套基于PLC的测量控制系统，完成对主机运行的控制，并采集系统运行时的流量、温度、压力、液位等信息。同时，利用LabVIEW平台开发出一套监控软件，实时显示系统运行状态及参数，并通过对出风口风量大小的调节完成室内温度的控制。为了检验测试系统的运行能力,对整个地源热泵与冰蓄冷耦合系统也进行了土壤热响应测试，并测算分析了土壤特性。关键词：地源热泵;冰蓄冷;PLC;LabVIEW;土壤热响应中图分类号:TP273文献标识码:ATheTestPlatformandPerformanceAnalysisofGround-sourceHeatPumpCoupledwithIceStorageAir-conditioningSystemHUANGQi,WANGYu-gang,MAOJia-ni,KUANGHuan(CollegeofMetrologyTechnologyandEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou,310018,China)Abstract:ontheground-sourceheatpumpcombinedwithicestorageair-conditioningsystem，takingPLCtechnologyascore,ameasurementcontrolsystemisdesigned,whichachievedthecontrolofthehostoperationandtheinformationcollectionofflow,temperature,pressureandtheliquidlevel.AndaSystemoperationstatemonitoringprogramwasdevelopedonthebasisofLabVIEW.What'smore,basedonthepresentsystem,soilheatresponseexperimentwasperformedtochecktheeffectofoperationonthepresentsystem.Keywords:groundsourceheatpump;icestoragesystom;PLC;LabVIEW;soilheatresponse1引言随着我国城市化进程的加快，加剧了我国能源的供需矛盾[1]。建筑能耗具有极大的节能潜力。因此，现代社会对于建筑空调领域也投入大量的研究。地源热泵作为一种“绿色空调”，其突出优点为[2-3]：（1）地表浅层收集的太阳能不受地域限制且能量巨大，这种能量无处不在，方便可取；（2）地源热泵污染排放量低，比空气源热泵减少40%以上；（3）地源热泵节能效果明显，比空气热泵系统节能40%以上；（4）地源热泵供暖系统的供暖成本较低，天然气锅炉和燃油锅炉均要比其高40%以上；（5）由于地下土壤的温度全年较为稳定，与传统的空气源热泵相比，其能效比要高出40%左右。冰蓄冷空调技术也具有其突出优点，主要为[4-6]：（1）削峰填谷，平衡电网负荷；（2）减小制冷机组容量，减少空调系统初投资；（3）利用峰谷电力差价，为用户节省电费支出；（4）冷冻水温度可降至1~4℃，实现低温送风，减小空调末端用电功率。目前，各种测试系统软件设计正趋向多元化、高精度化以及信息控制快捷化[7-8]。因此，地源热泵与冰蓄冷耦合系统的测试系统设计应该跟上时代的步伐，加快其测试系统设计研究进度。本文主要是在原有搭建好的地源热泵与冰蓄冷耦合系统的基础上,以PLC为设计核心,并结合LaBVIEW软件开发平台,设计一套相应的测试系统,以便更加快捷地完成测试任务和运行操作,也为工程实践中的软件控制程序编译提供一定的参考。同时,为了检验软件的可操作性,应用设计的测试系统,进行了土壤热响应实验。1实验系统介绍地源热泵联合冰蓄冷空调系统主要由地下埋管换热器、制冷主机机组、室内载冷介质循环系统和蓄冰槽等构成。在夏季用电低谷的夜间，利用地源热泵机组进行制冰，将冷量在蓄冰槽中储存起来，白天用电高峰时段进行融冰供冷。如果白天冷负荷较小，可单独采用融冰供冷；若白天冷负荷较大，同时开启地源热泵机组，运行于空调工况，由地源热泵机组和冰蓄冷联合供冷，整个系统如图1所示。乙醇溶液收集箱地埋管换热循环泵实验室乙二醇回风冷冻水泵蒸发器冷凝器蓄冰槽换热水箱自来水自来水M10M9V2M8M7M5M6V1M2M1M3M4DN32M10DN1530℃/6℃abcabcF4F2F1F325℃/10℃12℃/42℃7℃/47℃图1地源热泵与冰蓄冷耦合系统2测试系统设计2.1测试系统组成图2显示了整个控制系统结构的结构框架。PLC是整个系统的核心控制模块，控制模块组成包括CPU224、1个模拟量输入扩展模块EM231和2个模拟量输入/输出模块EM235；计算机通过串口完成与PLC的通信，监控程序用LabVIEW软件开发平台进行编译，完成对各测温点的温度、蓄冰槽液位、压缩机和泵的启停状态等信息的显示。2.2PLC控制程序设计图3为地源热泵联合冰蓄冷空调系统主回路，KM1~KM3为水泵和压缩机启停、切换的交流接触器。PLC程序要完成对换热循环泵、冷却水泵、压缩机的启停控制，三通阀的旋转角度调节，以及换热水箱加热量的控制。同时，PLC采集各测点传感器传送过来的4~20mA标准信号，并依据采集到的数据进行系统控制。根据系统控制任务需要，进行资源分配，制定资源分配表。地源热泵系统冰蓄冷系统控制器S7-200计算机软件监控平台监控程序运行监控与计算机通信数据采集供回水温度水箱温度液位供回水压力水箱加热器控制三通阀控制监控信息故障报警通讯总线图2地源热泵联合冰蓄冷空调控制系统结构图图3地源热泵联合冰蓄冷空调系统主回路根据控制要求和资源分配表，采用西门子STEP7MicroWIN软件编写PLC控制程序。以主机的启停控制为例，控制电路如图3所示，按下启动按钮SB1后压缩机启动，按下停止按钮SB2后系统停止，当电路中电流过大时，热继电器断开，系统停止，起到保护作用。控制电路表达式可表示为：KM=(SB1+KM)SB2FR（1）其中，SB1、KM为常开触点，SB2、FR为常闭触点，当按下SB1后，控制电路接通，KM线圈得电，常开触点KM闭合，主机得电运行，松开SB1后，电路依旧接通。当按下SB2后，控制电路断开，线圈KM失电，触点KM断开，主机停止。Q:电源开关，FR:热继电器，SB1:启动按钮，SB2:停止按钮，KM:接触器线圈图4监控程序前面板图3主机启停控制电路2.3监控软件设计图4为监控程序前面板，监控软件采用LabVIEW编写，监控软件包括两个部分：一是完成对各测点数据及运行状态的显示与记录，包括压力、温度、蓄冰槽液位等；二是通过控制风机转速来控制室内温度。（1）系统运行状态监控模块PLC带有RS485接口，PLC作为I/O接口设备，可通过RS232/485转换器与计算机通信，构成虚拟仪器系统。LabVIEW与PLC的通讯时，使用OPCserver，通过OPCClient实现数据交换。LabVIEW与PLC通信完成后，利用LabVIEW读取PLC中的运行状态参数，并根据读取的参数进行工况判断。（2）室温控制模块图5给出了送风系统结构。变频器和PLC都是通过串口与计算机通信,VFD037F变频器内置有PID控制单元，可通过控制程序设置参数。当通过传感器采集的进风温度与设定值有偏差时，PID程序可根据测量信号与设定值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，从而输出某个适当的控制信号给变频器，提高或降低转速，促使室温恢复到设定值，达到自动控制的效果。图5送风系统结构示意图图6变频器PID实现过程图6为变频器PID控制实现过程示意图，设定值和检出信号都为4mA至20mA电流信号，其中，进风温度变送器T2的电流信号作为检出信号，接到变频器的ACI1接线端。将目标温度值根据温度变送器T2的温度电流转换公式变换为电流值，利用LabVIEW通过数据采集卡PCI-6208转换为相应的电流，接入到变频器的ACI2端口。根据VFD-F变频器说明书，将PID控制参数通过控制面板写入相应的地址。3土壤的热响应测试3.1实验操作流程如图7所示，土壤热响应测试操作流程为：（1）应用系统测试软件对各管路进行开闭控制，以便使地埋管换热管路形成一个闭合环路；（2）启动换热循环泵使循环流体流动；（3）开启换热水箱的加热器以恒定的加热功率加热，其热量通过地埋管传递给地下土壤；（4）通过测试系统对实验相应的数据进行测量并记录；（5）计算出地埋管换热器的单位井深换热量及地下土壤的平均传热系数等参数。在测试实验中，测试井设定3组流速（0.35m/s，0.45m/s，0.55m/s），进行5个工作日持续测试,分别测量地埋管进出口水温及其温差，并根据温差计算出地埋管单位井深换热量、平均传热系数。循环水泵流量测量装置温度测量装置温度测量装置电加热器至埋管自埋管图7土壤热响应测试原理3.2实验结果分析根据测试系统所获取的实验数据，将其绘制于图8至图11。分析实验图表后，得出如下结论：（1）在不同流速下，开始运行的阶段温升速率相对较大，随着时间的增加，温度的上升速率开始变缓，渐渐接近于某一值；（2）地埋管内工质的进出口温度均随着流速的增加而减小；（3）随着工质流速的增加，工质进出口的温度差在减小，工质流速的增加，使得与地面的换热量增加，工质降温较快；（3）随着流速的增加，地埋管的单位井深换热量也在增加；（4）随着运行时间的增加，工质在一定流速下，单位井深的换热量逐渐减小，慢慢趋于稳定；（4）土壤平均传热系数也随流速的增加而增大。总的来说，测试软件能够很好地完成测试任务，并实现实时监测和数据分析。图8不同流速下的进出口水温图9不同流速下的进出水温差图10不同流速下的单位井深换热量图11不同流速下土壤平均传热系数4结论本文以PLC为测量控制核心，设计了一套地源热泵与冰蓄冷耦合系统的测试系统。同时，开发了一套基于图形化语言LabVIEW的系统监控软件，实现了系统运行状态参数的显示及出风量大小的控制。对整个系统进行了土壤热响应测试实验，验证了整个测试系统的可操作性。参考文献[1]许红星.我国能源利用现状与对策[J].中外能源,2010;15(1):3-15.[2]陈长风.谈地源热泵技术及其应用[J].山西建筑,2014;40(4):109-110.[3]晋生.浅层地热能利用技术[J].化工装备技术,2004;25(5):45-48.[4]周敏,杨春方.蓄冷技术的应用于冰蓄冷工程的优化设计[J].电力需求侧管理,2013;15(5):1-5.[5]吴春平,王丽慧,戴睿.冰蓄冷技术与节能作用[J].节能技术与产品,2013:28-30.[6]程群英,郭然.某冰蓄冷空调系统技术经济性分析[J].制冷与空调,2011;25(6):594-600.[7]李明辉,刘连生,曲培树.基于虚拟仪器的自动测试系统研究[J].电子测试,2008;3:37-42.[8]刘韬,程恺英,韩惠婕.测试软件开发工具发展现状及趋势[J].电脑知识与技术,2013;9(18):4234-4238.