蓄能热泵系统的方案设计

1系统控制需求分析

1.1系统的工作模式三套管蓄能型热泵机组既可以夏季供冷，也可以冬季供热，也可以在过渡季节使用。无论供冷还是供热，机组的冷源（或者热源）都不是唯一的。例如供冷时，既可以是蓄能器供冷，也可以是空气源热泵机组供冷，还可以是二者联合供冷。在这种情况下，机组的工作模式很多。本文根据机组的特性，选取了8种典型的工作模式：夏季夜间蓄冷模式、夏季蓄能器单独供冷模式、夏季空气源热泵与蓄能器联合供冷模式、夏季空气源热泵单独供冷模式、冬季太阳能蓄热模式、冬季蓄能器单独供热模式、冬季空气源热泵单独供热模式、冬季蓄冷除霜模式。在该系统中采用人工设定与自动控制相结合的方法，首先由用户选择机组的工作模式：制冷或制热。之后由控制逻辑实现不同空调期内具体工作模式的自动切换。不同工作模式之间的切换主要通过阀门的开关组合来实现。1.2　系统的测点布置三套管蓄能型热泵机组系统较为复杂，需要测量的运行参数较多，其中需要控制系统采集的温度传感器有37个，压力传感器有7个。众多参数中，部分测点参数作为工作模式的切换依据、机组的启停条件、或者是故障保护的条件，因此测点的合理布置是机组安全高效运行的重要前提。系统中，蓄能器内相变材料的温度分布情况十分重要。为此，在3组蓄能器内分别布置了9个、5个、5个温度传感器。另外，对蓄能器入口和出口的制冷剂状态参数、压缩机的吸气／排气参数、各部分的水温和压力都要监测和记录。需要监测的参数之多，对数据采集、数据记录和数据分析都提出了更高的要求。

2控制方案设计

2.1控制系统的硬件选型通过对三套管蓄能型热泵机组控制需求的分析，选择CO－TRUST可编程控制器和昆仑通态HMI来实现系统功能。具体配置为：1个CPU226L，5个扩展模块CTS　231－7NF32，2个CTS7　235－0KD32，1个TPC7062KX。由于系统控制逻辑复杂，选择PLC作为控制系统的核心有明显的优势，本文中选择的CO－TRUSTPLC具有强大的通信能力、高速的运算能力、大的程序存储空间，能够满足高性能复杂控制系统的需求和较大的数据处理需求。在本系统中，需要采集的数据量巨大，而1个CTS　231－7NF32模块可以对8个NTC传感器采样，因此选择5个CTS　231－7NF32模块，满足40个温度测点采集需求；另外2个CTS7235－0KD32采集4mA～20mA信号，满足8个压力传感器采集需求。人机界面负责机组的控制、参数设定、数据显示、数据归档等功能。本系统选择昆仑通态触摸屏，其主要优点是：7寸高清液晶显示，功能强大，组态方便，具备强大的数据采集和归档功能，支持U盘备份导出。2.2　PLC的控制点分布数字量输入点主要包括压缩机过载保护、冷凝风机过热保护、水泵过载等，其他机组故障报警及保护功能通过控制软件编程实现。数字量输出点主要包括压缩机控制、水泵控制、四通阀控制、总故障输出以及用来模式切换的8个电磁阀控制。模拟量输入点包括37个NTC（NegativeTemperature　Coefficient）温度采集点和7个压力传感器采集点，主要用来监测压缩机吸排气、蓄能器出入口、蓄能器内相变材料、板式换热器制冷剂以及系统中水的温度或压力，这些采集点部分用于控制或保护功能，部分用于监测比对。2.3控制逻辑设计机组主要工作于两种一级工作模式，一种是制冷，一种是制热，用户通过触摸屏设定选择，在制冷或制热模式下又分若干二级工作模式。以下以制热模式为例，介绍控制逻辑设计方法，具体控制逻辑如图2所示。图2中，Tin为室内干球温度；Tinset为室内设计温度；Tout为室外干球温度；TPCM为相变材料温度；Tsol为太阳能热水温度。制热模式下主要分4个二级工作模式。由于室外环境温度不同时，空气源热泵供热和蓄能器供热的效率不同，所以用室外温度作为选择两种工作模式的依据。在室外温度过低时，如果是空气源热泵供热存在结霜问题，此时通过蓄能器蓄冷模式达到除霜目的。2.4　控制软件设计2.4.1　PLC程序设计在主程序中对各种运行模式的条件进行判断，通过程序中VW100的数值不同对应8种工作模式，每个工作模式对应一个子程序，每个子程序中对压缩机、水泵、四通阀、电磁阀的动作进行控制，实现不同工作模式的控制功能。压力采集通过“模拟量功能块”实现。作为PLC中常用的模拟量采集功能，通过功能库的形式将程序固化，这样一方面有利于简化程序结构，另一方面在程序编写过程中不易出错，出错后易于检查。NTC温度传感器编程相对更容易，根据编制要求确定温度采集点地址，进行简单的数据格式换算就可以通过HMI查看结果。通过软件编程实现空调系统的自动报警和自动保护功能，保证系统安全运行。在该系统中有以下保护：压缩机过载保护、冷凝风机过热保护、水泵过载保护、压缩机高低压保护。故障发生时，相应的部件停止运行，通过HMI可以查看故障信息。2.4.2　HMI程序设计该系统需要监测的测点非常多，对数据记录提出较高的要求，通过对昆仑通态触摸屏的软件组态可以满足记录要求。在软件中可以定义数据记录的时间间隔、需要采集的变量、数据按升序或者降序时间条件排列、变量值筛选条件等，可以准确地记录满足要求的数据值，存储空间大，允许记录大批量数据。数据导出功能可以设定导出数据的时间段和导出文件名称。数据导出文件以EXCELL表格的形式存储在U盘中。图3为手操器上显示的数据导出画面显示。HMI还具有参数设定、开关机、查看机组状态、故障报警、手动控制等功能，HMI是用户和机组之间的桥梁，用户对机组的操作控制都要通过它实现，而这些功能都是通过对其组态软件的开发实现的。

3试验结果分析

本文仅以冬季蓄能器单独供热模式为例对试验结果进行简要分析。运行此模式时，蓄能器作为系统的蒸发器，此时，系统运行情况与室外环境无关。观察沿制冷剂流动方向管长对相变材料冷却特性的影响，如图4所示。数据显示：入口测点降温最慢，末端测点冷却效果最理想。之所以会出现相变材料温度沿管长方向分布差异的现象，是制冷剂沿流动方向流型变化影响到了传热。在倒数第2个测点温度最低，说明制冷剂即将跨过两相区；在最后的测点看到温度回升，说明制冷剂已达到过热，流出蒸发器（三套管蓄能型换热器）。这也从另一个角度说明了换热器设计的合理性。通过对样机在蓄能器单独供热模式下运行特性的分析，发现随着供热时间的推移，相变材料的温度呈现指数函数下降规律，但是供热水温却不会出现大的波动。经过曲线回归，发现供热总量随时间的变化函数是一次函数。也就是说，在整个供热阶段，样机的供热性能非常稳定，说明利用蓄能器单独供热是可靠的。

4结论

目前该三套管蓄能热泵系统已经完成样机测试工作，试验表明，该控制方案设计合理，能够满足机组性能需求。由CO－TRUST　PLC与昆仑通态HMI组成的控制系统性价比高，能够满足机组在不同模式下的自动切换，具有智能控制功能。

作者：王娜娜 曲德虎 单位：广东吉荣空调有限公司 哈尔滨工业大学