學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的智能控制設(shè)計(jì)

溫金保

摘 要：學(xué)生宿舍熱水需求量大，熱水系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)熱水系統(tǒng)的智能、節(jié)能運(yùn)行，設(shè)計(jì)了熱水系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，分析了單臺(tái)空氣源熱泵的智能控制邏輯和熱水系統(tǒng)的智能控制邏輯。同時(shí)，在闡明熱水用量預(yù)測(cè)必要性的基礎(chǔ)上，提出了熱水用量預(yù)測(cè)方案。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;熱水系統(tǒng);智能控制;熱水用量預(yù)測(cè)

0 引言

與燃煤、燃?xì)?、太?yáng)能等傳統(tǒng)的熱水系統(tǒng)相比，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)不受燃料供應(yīng)因素影響，受夜晚、陰天、下雨及下雪等惡劣天氣的影響也較小;空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一年四季、全天24 h安全運(yùn)行;傳統(tǒng)的熱水系統(tǒng)制熱效率均小于1，而空氣源熱泵熱水系統(tǒng)制熱效率可達(dá)到3～5[1]。王宇[2]對(duì)應(yīng)用于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)的空氣源熱泵進(jìn)行了性能測(cè)試和運(yùn)行情況評(píng)價(jià)，認(rèn)為空氣源熱泵在夏熱冬暖地區(qū)最具適用性。

空氣源熱泵現(xiàn)已成為夏熱冬暖地區(qū)酒店、公寓、學(xué)生宿舍等普遍采用的加熱設(shè)備，單臺(tái)空氣源熱泵有嵌入式的控制系統(tǒng)，可以智能運(yùn)行，比如設(shè)定出水溫度、加熱時(shí)間等，但學(xué)生宿舍人數(shù)較多，需要多臺(tái)機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，因此多臺(tái)空氣源熱泵的熱水系統(tǒng)智能控制是需要研究的課題。

1 熱水系統(tǒng)設(shè)備

某學(xué)生宿舍熱水系統(tǒng)采用空氣源熱泵供應(yīng)熱水，按每人每天60 L熱水需求設(shè)計(jì)。項(xiàng)目主要設(shè)備有：保溫水箱1個(gè);空氣源熱泵8臺(tái);回水電動(dòng)電磁閥3臺(tái);進(jìn)冷水（補(bǔ)水）電動(dòng)閥1臺(tái);熱泵循環(huán)加熱泵2臺(tái)（一備一用）;加壓供水泵2臺(tái)（一備一用）;定時(shí)供水電動(dòng)閥1臺(tái)。設(shè)備布置圖如圖1所示。通常酒店的熱水系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)水箱，一個(gè)水箱用于循環(huán)加熱，另一個(gè)水箱用于供應(yīng)熱水;而學(xué)生使用熱水時(shí)間很集中且用水量大，因此學(xué)生宿舍熱水系統(tǒng)一般設(shè)置一個(gè)水箱，在非供應(yīng)熱水時(shí)間將水箱中的水加熱。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

熱水控制系統(tǒng)由管理軟件、組態(tài)軟件、PLC（也可使用單片機(jī)）、熱水表、傳感器、繼電器、接觸器等組成?？刂葡到y(tǒng)總圖如圖2所示，配電系統(tǒng)圖如圖3所示，部分控制回路如圖4所示。

管理軟件包括用戶信息管理模塊、熱水使用信息管理模塊、繳費(fèi)管理模塊等，主要功能有用戶注冊(cè)和注銷，存儲(chǔ)和查詢熱水使用記錄，存儲(chǔ)和查詢繳費(fèi)記錄等。每間宿舍裝有智能熱水表，熱水表與管理軟件通信，學(xué)生將感應(yīng)式熱水卡放在熱水表上，即可使用熱水。管理系統(tǒng)接收熱水使用數(shù)據(jù)和扣費(fèi)數(shù)據(jù)。熱水管理軟件和熱水表已經(jīng)有較成熟的通用產(chǎn)品。

熱水系統(tǒng)的智能運(yùn)行主要由組態(tài)軟件和PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件的主要功能有：可以與PLC通信，讀寫PLC的各種信號(hào)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算等處理，將運(yùn)算結(jié)果傳回PLC，通過(guò)PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行;可以將PLC傳回的實(shí)時(shí)信息和經(jīng)組態(tài)軟件處理過(guò)的信息傳給熱水管理系統(tǒng)，也可以接收熱水管理系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行;組態(tài)軟件可以用動(dòng)畫、圖表等形式呈現(xiàn)熱水設(shè)備的運(yùn)行狀況，可以將熱水系統(tǒng)的緊急工況（如報(bào)警等）通過(guò)軟件界面、短信通知管理員，使管理人員可以及時(shí)處理相關(guān)問(wèn)題;可以存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、管理人參數(shù)更改記錄等。

3 單臺(tái)空氣源熱泵的智能控制

空氣源熱泵設(shè)置有控制系統(tǒng)，熱泵的進(jìn)水管路沒水時(shí)自動(dòng)停機(jī)，進(jìn)入缺水保護(hù)狀態(tài);當(dāng)監(jiān)控到環(huán)境溫度和熱泵交換器溫度達(dá)到某一閾值時(shí)，熱泵可自動(dòng)除霜;可以設(shè)定熱泵工作運(yùn)行時(shí)間;可以設(shè)定目標(biāo)水溫，即水箱中的水需要達(dá)到的溫度。在有多臺(tái)熱泵的熱水系統(tǒng)中，每臺(tái)熱泵都連接水箱中的溫度傳感器，對(duì)溫度傳感器采集的溫度與熱泵中設(shè)定的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較;如果小于目標(biāo)溫度，則發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)熱泵循環(huán)泵，水箱中的水流入熱泵加熱，如果等于目標(biāo)溫度，則不發(fā)送信號(hào)，熱泵循環(huán)泵不運(yùn)行。單臺(tái)熱泵智能控制原理圖如圖5所示。

4 熱水系統(tǒng)的智能控制

學(xué)校采用定時(shí)供應(yīng)熱水的方式，每天20：00—23：00供應(yīng)熱水。學(xué)生宿舍人數(shù)多，使用熱水時(shí)間集中，因此在熱水供應(yīng)時(shí)間之前，水箱已經(jīng)按估計(jì)的用水量加好水，在熱水供應(yīng)過(guò)程中，水箱不補(bǔ)冷水。

（1）水箱補(bǔ)水。在組態(tài)軟件中設(shè)置非供水時(shí)間的水箱水位。水箱中裝有水位傳感器，水位信號(hào)經(jīng)PLC傳給組態(tài)軟件。當(dāng)水箱水位小于設(shè)定值時(shí)，組態(tài)軟件發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)水電動(dòng)閥工作，水箱補(bǔ)水;當(dāng)水箱水位等于設(shè)定水位時(shí)，補(bǔ)水電動(dòng)閥停止工作。

（2）熱水循環(huán)加熱。水箱中設(shè)有多個(gè)溫度傳感器，每臺(tái)熱泵與溫度傳感器連接，在熱泵控制系統(tǒng)中設(shè)置目標(biāo)水溫（即供應(yīng)熱水的水溫），當(dāng)水箱中的水溫低于目標(biāo)溫度時(shí)，熱泵發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵工作，水箱中的水進(jìn)入熱泵繼續(xù)加熱，當(dāng)水箱中的水溫等于目標(biāo)溫度時(shí)，循環(huán)泵停止工作，熱泵停止工作，進(jìn)入缺水保護(hù)狀態(tài)。

（3）熱水供應(yīng)。在組態(tài)軟件中設(shè)定供水時(shí)間，有權(quán)限的管理人員可隨時(shí)更改供水時(shí)間。水箱設(shè)有溫度傳感器，溫度信號(hào)經(jīng)PLC傳給組態(tài)軟件，并在組態(tài)軟件中顯示。到設(shè)定的熱水供應(yīng)開始時(shí)間，組態(tài)軟件發(fā)送指令，熱水供應(yīng)電動(dòng)閥啟動(dòng)，開始供應(yīng)熱水。在熱水供應(yīng)電動(dòng)閥前設(shè)有壓力傳感器和增壓泵，增壓泵可接收壓力傳感器信號(hào)，當(dāng)供水壓力低于設(shè)定值時(shí)，增壓泵啟動(dòng)。

（4）回水。共設(shè)有3條回水管道，回水管上設(shè)置回水電磁閥和溫度傳感器，回水管溫度信號(hào)經(jīng)PLC傳給組態(tài)軟件。當(dāng)回水管道溫度低于設(shè)定值時(shí)，組態(tài)軟件發(fā)出指令，回水電磁閥啟動(dòng)，回水管中的熱水進(jìn)入水箱，供水閥啟動(dòng)，水箱中的熱水進(jìn)入熱水供應(yīng)管道;當(dāng)回水管中的水溫等于設(shè)定值時(shí)，回水電磁閥關(guān)閉。

5 熱水用量預(yù)測(cè)

學(xué)生宿舍使用熱水的時(shí)間很集中，為保證學(xué)生熱水供應(yīng)，通常白天熱泵運(yùn)行，在供應(yīng)熱水時(shí)間到來(lái)之前已經(jīng)把水加熱好。水箱有效容積即熱水供應(yīng)量，是按規(guī)劃入住學(xué)生數(shù)的最大用水量設(shè)計(jì)的（按規(guī)范，每人每天的熱水用量為40～80 L，某學(xué)生宿舍按每人每天60 L設(shè)計(jì)）。熱泵設(shè)備的數(shù)量按每天的最大制熱需求配置。但不同的學(xué)生群體在不同的季節(jié)、不同的氣溫時(shí)熱水用量差異較大。