高速鐵路車站地源熱泵自控系統(tǒng)設(shè)計

李浩然，周文波，丁道祥，王偉，王瑞雪

（中國鐵路沈陽局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013）

目前，由于地源熱泵是一種利用土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)，高速鐵路車站越來越多的選擇使用地源熱泵系統(tǒng)作為站房內(nèi)部的空調(diào)裝置。但在使用的過程中，某些車站地源熱泵在使用的過程中暴露出自動化程度低，站房內(nèi)空調(diào)溫差大，不能夠無人值守，能源利用率低，耗能較大等弊端。而通過在地源熱泵系統(tǒng)的室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機系統(tǒng)以及室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)置模擬量采集裝置，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端，利用自動控制原理對地源熱泵實行自動控制，通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)反饋到遠程服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)地源熱泵遠程數(shù)據(jù)集控，建立“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理”的科技型、創(chuàng)新型房產(chǎn)運營管理體系，建立地源熱泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)平臺，實時了解鐵路地源熱泵機房內(nèi)和生產(chǎn)辦公區(qū)內(nèi)設(shè)備工作情況。

1 地源熱泵自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器及上位機上的SCADA系統(tǒng)，將現(xiàn)場地源熱泵機組及其他各設(shè)備的工作狀態(tài)信息和傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過PLC處理后，統(tǒng)一集中到工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的SCADA系統(tǒng)中，再利用SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)無人值守的最優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)實際負荷，經(jīng)過分析運算，調(diào)節(jié)熱泵機組的啟停和工作能級，并和太陽能系統(tǒng)及水蓄能系統(tǒng)配套運行。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，采用分層分布的硬件結(jié)構(gòu)，從下向上分為3級：現(xiàn)場級、監(jiān)控級、管理級。現(xiàn)場級主要包括以PLC為核心控制器的控制柜、熱泵機組、循環(huán)泵、閥門、各類傳感器等；監(jiān)控級主要包括實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、硬盤錄像機、安全防護網(wǎng)關(guān)等；管理級主要包括管理終端設(shè)備（PC機）、手持管理設(shè)備、移動管理設(shè)備等。利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)地源熱泵房、段、路局數(shù)據(jù)大集中系統(tǒng)，并行成三級網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)管理構(gòu)成圖如圖1。

圖1 地源熱泵自控系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 地源熱泵自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測內(nèi)容

在整個地源熱泵系統(tǒng)中，地源熱泵機房設(shè)備主要包括地源熱泵機組、地源循環(huán)泵、用戶循環(huán)泵、板式換熱器和軟水設(shè)備等。候車室設(shè)備主要包括中央空調(diào)機組、地板輻射供暖、盥洗室風(fēng)機盤管機組等，生產(chǎn)辦公區(qū)包括風(fēng)機盤管機組等?；诘卦礋岜孟到y(tǒng)的組成，地源熱泵自控系統(tǒng)主要監(jiān)測區(qū)域可分為埋管區(qū)域地溫監(jiān)測、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控、全系統(tǒng)輸入／輸出能量計量、全系統(tǒng)設(shè)備運行控制等。

2.1 埋管區(qū)域地溫監(jiān)測

地埋管地源熱泵系統(tǒng)在運行過程中將一定將一定程度上改變換熱區(qū)的地溫場，地溫場的改變直接影響系統(tǒng)性能和換熱區(qū)的地質(zhì)環(huán)境。因此通過設(shè)置埋管區(qū)域地溫監(jiān)測，可及時反饋換熱區(qū)溫度變換情況，作為系統(tǒng)自動啟停的溫控參數(shù)之一，對達到系統(tǒng)最優(yōu)性能和保護地質(zhì)環(huán)境具有重要意義。

將整個埋管區(qū)域劃分成若干區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)選取2個具有代表性的點作為監(jiān)測點。為了滿足監(jiān)測需求，監(jiān)測點應(yīng)分為2類：一類是將溫度傳感器同豎直埋管一起固定下埋，對管井進行監(jiān)測；另一類是設(shè)置單獨的溫度監(jiān)測井，用其他載體固定溫度傳感器埋入井內(nèi)。溫度傳感器的選型方面要保證傳感器和導(dǎo)線在高壓、偏堿性土質(zhì)（及液體）環(huán)境下的長期穩(wěn)定使用。溫度傳感器埋設(shè)完成后，通過多芯絕緣屏蔽導(dǎo)線連接進入控制終端箱，控制終端箱內(nèi)部的可編程控制器具備通訊接口和開放通訊協(xié)議。在數(shù)據(jù)集控室設(shè)置1臺工控機，通過RS485通訊接口和通訊線纜與控制終端箱進行通訊連接，采集、存儲土壤溫度信號，供高速鐵路車站地源熱泵控制系統(tǒng)組態(tài)軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)存儲分析。

組態(tài)軟件收集土壤溫度并計算平均值，與設(shè)定的平均值比較。當(dāng)實際平均溫度高于設(shè)定平均溫度設(shè)定值時，開啟冷卻塔、冷卻水泵、地源側(cè)冷水泵對土壤進行降溫，直至土壤達到常年正常溫度為止。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控

通風(fēng)空調(diào)機組的控制通過溫、濕度傳感器和氣壓控制開關(guān)，監(jiān)測通風(fēng)空調(diào)機組的運行狀態(tài)、故障報警狀態(tài)以及手動／自動運行狀態(tài)；監(jiān)測空調(diào)送風(fēng)溫度，新風(fēng)機組與新風(fēng)門的聯(lián)鎖控制程序：空調(diào)機組開啟時，自動打開新風(fēng)門，停機時自動關(guān)閉新風(fēng)門。

通過室內(nèi)溫、濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)的溫度和濕度，當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度時，電動兩通閥自動關(guān)閉，切斷冷凍水的供應(yīng)，從而起到控制風(fēng)機盤管的啟停作用。隨著室內(nèi)風(fēng)機盤管的啟停，供水主管上裝有水壓差傳感器的壓差控制開關(guān)監(jiān)測當(dāng)前水壓差，然后將信號傳輸至控制器，控制器經(jīng)過PID運算控制安裝在分、集水器旁路上的壓差調(diào)節(jié)閥的開度，維持供、回水壓差恒定于設(shè)定值。

2.3 全系統(tǒng)輸入／輸出能量計量

自控系統(tǒng)通過串口通訊線采集地源熱泵機房內(nèi)控制柜智能數(shù)字電度表電量數(shù)據(jù)，用來計量全部空調(diào)機組和循環(huán)水泵的耗電量。各用電單元配電柜計量各風(fēng)機盤管和新風(fēng)機組的耗電量。通過電能計量統(tǒng)計系統(tǒng)耗能；電能計量儀表設(shè)置應(yīng)靠近用電設(shè)備，盡量集中計量，以保證計量精度、計量數(shù)據(jù)傳輸方便。

系統(tǒng)能量輸出由空調(diào)熱水系統(tǒng)、地源循環(huán)水系統(tǒng)、夏季板換水系統(tǒng)和用戶側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)4個系統(tǒng)組成。通過熱能表對進水管和出水管的溫度采集，并結(jié)合管路流量計檢測的管內(nèi)流量進行計算，得最后出每個系統(tǒng)的能量輸出。

地源熱泵系統(tǒng)通過采集空調(diào)熱水系統(tǒng)、地源循環(huán)水系統(tǒng)、夏季板換水系統(tǒng)、用戶側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)的能量輸入和輸出，計算系統(tǒng)的總能量以及通過智能電度表計量主機、地源側(cè)水泵、用戶側(cè)水泵、冷卻塔側(cè)水泵以及末端風(fēng)機盤管的耗電量。最后通過能量的輸入／輸出和系統(tǒng)總耗電量計算機房能效比和車站建筑的能效比。

2.4 監(jiān)測點數(shù)量統(tǒng)計

綜上所述，地緣熱泵系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)點設(shè)計數(shù)量如下：

（1）空調(diào)側(cè)3臺循環(huán)泵的電壓、電流、運行狀態(tài)、單泵電量、遠程控制泵的開停。

（2）地源側(cè)3臺循環(huán)泵的電壓、電流、運行狀態(tài)、單泵電量、遠程控制泵的開停。

（3）空調(diào)側(cè)循環(huán)溫度檢測1處，地源側(cè)循環(huán)溫度檢測1處。

（4）2組地源熱泵機組的參數(shù)讀取（主要進口壓力、出口壓力、進口溫度、出口溫度、報警等）。

（5）補水泵水量和補水壓力，需要加遠傳水表和水壓傳感器。

（6）地源側(cè)集水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（7）空調(diào)側(cè)集水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（8）換熱板1次側(cè)進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度，換熱板2次側(cè)進口壓力、進口溫度、出口壓力、出口溫度。

（9）中央空調(diào)的溫度采集，1側(cè)設(shè)3個溫度采集點。

3 上位機程序設(shè)計

采用組態(tài)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)熱泵機房設(shè)備的實際分布情況及熱泵系統(tǒng)運行的工藝流程設(shè)計系統(tǒng)運行流程效果圖，將采集的參數(shù)形象、動態(tài)的展示，并以圖形按鈕、樹形菜單等方式為用戶提供操作接口，以實現(xiàn)設(shè)備控制、限值設(shè)定、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能，提高系統(tǒng)的易用性和交互性。地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

上位機程序主要功能如下：

（1）用戶管理：可以定義權(quán)限用戶，進行多級用戶的管理，可以查詢的和可以控制設(shè)備的用戶進行嚴(yán)格區(qū)分。

（2）設(shè)備管理：建立數(shù)據(jù)庫，對地源熱泵的所有設(shè)備的使用年限、使用注意事項、使用報廢年限、設(shè)備常用基本參數(shù)說明等設(shè)備信息進行管理，同時可以對遠程終端其他電腦和手機上線數(shù)目進行管理。遠端最少允許5臺手機，2臺電腦進行操作。可以對遠程登錄的手機。

（3）系統(tǒng)日志：詳細記錄管理的設(shè)備的工作狀態(tài)日志，可以3min或者5min進行一次采集。同時對登陸人員及人員的操作進行記錄，出現(xiàn)問題時可以找到責(zé)任人。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，要記錄系統(tǒng)故障時間，內(nèi)容等基本信息。

（4）控制模式轉(zhuǎn)換：設(shè)置系統(tǒng)的運行模式為全自動運行或者手動點動啟停設(shè)備及各個子系統(tǒng)。自動模式下可根據(jù)用戶側(cè)供水溫度等條件完成熱泵機組的啟停、機組的自動加載、減載、設(shè)備輪換、根據(jù)室外環(huán)境溫度自動設(shè)定主機出水溫度，平衡室外環(huán)境溫度變化造成的室內(nèi)溫度波動，達到節(jié)能、舒適的目的。

（5）控制3個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行：電價低谷時段控制熱泵機組為蓄能池蓄熱（冷），電價高峰期蓄能池放能進行制熱（冷）；可實現(xiàn)根據(jù)設(shè)定的時間和溫度條件，控制太陽能系統(tǒng)為淋浴水箱供熱、為蓄能池蓄熱、為地源側(cè)蓄熱3種工作模式按照優(yōu)先級從高到低的順序運行。

（6）系統(tǒng)還具有通過數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)報表進行數(shù)據(jù)分析功能；實時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進行故障檢測，實現(xiàn)聲光報警和短信提示功能；與視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合將熱泵機房主要設(shè)備的監(jiān)控畫面集成到上位機界面顯示；用戶分級管理功能，為不同級別的用戶分配不同的操作權(quán)限，保證系統(tǒng)安全；提供Web訪問功能，支持通過互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問，便于管理人員遠程辦公。

（7）數(shù)據(jù)報表：生成滿足需要的日報月報和年報，要按水量、電量、壓力等內(nèi)容進行分析計算，生成報表。根據(jù)用水量、用電量、壓力情況、溫度情況進行分析統(tǒng)計，生成曲線，統(tǒng)計高峰時間段等功能。

4 結(jié)語

通過建立地源熱泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將所有采集到的信息和遠程操作都集中到生產(chǎn)指揮中心，交由專人負責(zé)監(jiān)控和操作。以實現(xiàn)由現(xiàn)場有人值守到現(xiàn)場無人值守、定時巡檢的工作模式的改變。實現(xiàn)監(jiān)測控制由固定端向移動端的進步?，F(xiàn)場車間設(shè)立監(jiān)控管理地點，可以在被授權(quán)的情況下對地源熱泵設(shè)備運行情況進行管理和控制。