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1、项目4 地源热泵空调设备中变频恒压供水系统的设计项目4 地源热泵空调设备中变频恒压供水系统的设计 CDIO理念下的项目化维修电工下册任务4CDIO理念下的项目化维修电工下册任务4 设 计：唐义锋 于宝设 计：唐义锋 于宝佺佺 江苏财经职业技术学院江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院机械电子与信息工程学院 项目描述项目描述 交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能。具有 高效率、易维护等特点 交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能。具有 高效率、易维护等特点, 已在恒压供水系统中有许多成功应用。 有些场合不需要严格的比例积分微分 已在恒压供水系统中有许多成功应用。 有些场合
2、不需要严格的比例积分微分(PID) 调节就能达到控制要 求 调节就能达到控制要 求, 利用变频器自带的一些简单控制功能就可以实现利用变频器自带的一些简单控制功能就可以实现, 这样可最大 限度地节约成本 这样可最大 限度地节约成本, 提高设备的安全、可靠性。本项目要求研究并 实施基于电接点压力表进行变频恒压供水控制的方法。给出所选 提高设备的安全、可靠性。本项目要求研究并 实施基于电接点压力表进行变频恒压供水控制的方法。给出所选 用变频器在相应接入方法中的参数设置。用变频器在相应接入方法中的参数设置。 项目分析项目分析 本项目需要进行地源热泵的工作原理分析本项目需要进行地源热泵的工作原理分析,
3、研究系统中空调 系统的结构与运行方式 研究系统中空调 系统的结构与运行方式, 设计出水温空调的供水管路系统设计出水温空调的供水管路系统, 应用变 频器实现对水温空调系统的恒压供水 应用变 频器实现对水温空调系统的恒压供水, 研究并实施基于电接点压 力表进行变频恒压供水控制的方法及其参数设置。 研究并实施基于电接点压 力表进行变频恒压供水控制的方法及其参数设置。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 知识链接知识链接 1.地源热泵相关知识地源热泵相关知识 地源热泵是以地源能地源热泵是以地源能(土层、地下水、地表水、低温地热水 或尾水
4、土层、地下水、地表水、低温地热水 或尾水) 作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源 系统 作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源 系统, 热泵通过消耗少量高品位能源热泵通过消耗少量高品位能源, 把热量由低温级上升到高温 级。从而达到采暖、制冷或供应热水的目的。它用来替代传统的 把热量由低温级上升到高温 级。从而达到采暖、制冷或供应热水的目的。它用来替代传统的 用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式, 能有效改善城市 大气环境 能有效改善城市 大气环境, 节约高品位能源。其中节约高品位能源。其中, 水源热泵须从地下打出深度为水源热泵须
5、从地下打出深度为 80 600 m 的深井的深井, 将温度为将温度为13 30 的井水取出的井水取出, 进行能量交 换后 进行能量交 换后, 再将其回灌到相同水层的地层中。从而实现能量的循环利 用。 再将其回灌到相同水层的地层中。从而实现能量的循环利 用。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 在地源热泵系统中的关键技术有热泵机组集成技术、热泵系 统网络化控制技术、回灌技术以及空调系统集成应用技术等。热 泵控制系统是整个热泵的核心 在地源热泵系统中的关键技术有热泵机组集成技术、热泵系 统网络化控制技术、回灌技术以及空调系统集成应用技
6、术等。热 泵控制系统是整个热泵的核心, 它在控制热泵机组运行的同时它在控制热泵机组运行的同时, 还 要采集与之相关联的设备运行信息 还 要采集与之相关联的设备运行信息, 以便进行实时控制以便进行实时控制, 合理调配 用户端的能量供应。目前国内常见的热泵控制系统 合理调配 用户端的能量供应。目前国内常见的热泵控制系统, 还是以还是以PLC 为核心的控制系统为主。基于单片机控制的系统也有为核心的控制系统为主。基于单片机控制的系统也有, 但是主要 是数字量的开关输出控制。 但是主要 是数字量的开关输出控制。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展
7、展展展 虽然热泵系统很节能虽然热泵系统很节能,但是后续应用系统的控制存在缺陷但是后续应用系统的控制存在缺陷, 会降 低节能效果。如清晨时分 会降 低节能效果。如清晨时分, 很多出风口处于关闭状态很多出风口处于关闭状态, 此时机组还 是满负荷运行 此时机组还 是满负荷运行, 显然是浪费能量。对于不同的运行环境显然是浪费能量。对于不同的运行环境, 热泵各时 段的使用量均有所不同 热泵各时 段的使用量均有所不同, 并且各环节的配合上也有所讲究并且各环节的配合上也有所讲究, 因此因此, 根据各节点的运行状态根据各节点的运行状态, 研究出不同使用状况下的机组最佳运行 方法 研究出不同使用状况下的机组最佳
8、运行 方法, 对热泵机组及其控制对象进行智能化调控具有重要应用价对热泵机组及其控制对象进行智能化调控具有重要应用价 值。值。 本项目从热泵机组用户的角度出发本项目从热泵机组用户的角度出发, 在利用现场总线网络进 行能量分配控制的框架下 在利用现场总线网络进 行能量分配控制的框架下,应用变频调速技术实现对水温空调系统 的恒压供水 应用变频调速技术实现对水温空调系统 的恒压供水, 设计出一种基于地源热泵技术的空调供水控制系统设计出一种基于地源热泵技术的空调供水控制系统, 从而在提高资源利用率的同时从而在提高资源利用率的同时, 减少高品位能源的消耗。减少高品位能源的消耗。 构构构构 思思思思 求求求
9、求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 2.地源热泵能量交换与空调系统管路研究地源热泵能量交换与空调系统管路研究 空调系统是热泵应用的核心之一空调系统是热泵应用的核心之一, 本设计中本设计中, 空调系统与热水 供应系统均依赖双储能系统所提供的换热介质工作 空调系统与热水 供应系统均依赖双储能系统所提供的换热介质工作, 通过通过CAN 总 线网络实现对各系统的运行控制与状态监测。如图 总 线网络实现对各系统的运行控制与状态监测。如图4 - 4 - 1所示为 一种基于热泵机组的双储能缓冲装置 所示为 一种基于热泵机组的双储能缓冲装置, 它也是一种热能和取暖或 制冷
10、同供的系统。通过双储能缓冲装置实现对地下水源供给系统 它也是一种热能和取暖或 制冷同供的系统。通过双储能缓冲装置实现对地下水源供给系统 的控制的控制, 夏季尽可能在储能装置中进行能量交换夏季尽可能在储能装置中进行能量交换, 从而能有效提高 能源的利用率和热泵机组的利用率 从而能有效提高 能源的利用率和热泵机组的利用率,并尽可能减少对地下水源的利 用 并尽可能减少对地下水源的利 用, 减缓回灌井的老化。由图减缓回灌井的老化。由图4 - 4 - 1 知知, 两个水箱两个水箱(储能装置储能装置) 分别 用来在夏天储存冷、热源 分别 用来在夏天储存冷、热源, 而在冬天储存热、热源而在冬天储存热、热源,
11、 根据用户的使 用需要通过智能化控制使装置有效工作 根据用户的使 用需要通过智能化控制使装置有效工作, 加大能源利用率加大能源利用率, 提高热 泵机组的利用率 提高热 泵机组的利用率, 同时节约能源。同时节约能源。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 其工作原理为其工作原理为: 在夏天需要同时供热水和制冷时在夏天需要同时供热水和制冷时, 机组优先使 用两水箱中的冷、热源 机组优先使 用两水箱中的冷、热源,从而在制取热水的同时产生冷水
12、从而在制取热水的同时产生冷水, 用冷水 供给空调系统 用冷水 供给空调系统, 实现一机两用实现一机两用, 提高其运行的能效比提高其运行的能效比, 任何一方不 足时 任何一方不 足时, 可通过智能控制方式从地下水中提取能量。在冬天可通过智能控制方式从地下水中提取能量。在冬天, 同时供 热水和供暖 同时供 热水和供暖, 此时此时, 从地下水中提供热量分别进入两个储水箱中从地下水中提供热量分别进入两个储水箱中, 两储水箱均作为供热装置。两储水箱均作为供热装置。 根据用户端房间的多少配置空调器的数量根据用户端房间的多少配置空调器的数量, 设该系统由设该系统由N 台 空调器组成 台 空调器组成, 这些空
13、调器需由房间人员决定是否运行及运行时的 风机转速 这些空调器需由房间人员决定是否运行及运行时的 风机转速, 因此它们的运行要求各不相同因此它们的运行要求各不相同, 并且开停时间也不一致。 这就使得该系统成为一个大变流量的恒压供水系统 并且开停时间也不一致。 这就使得该系统成为一个大变流量的恒压供水系统, 在管路设计 中 在管路设计 中, 为了防止水锤对测试仪器产生的冲击为了防止水锤对测试仪器产生的冲击, 并对供水压力进行缓冲并对供水压力进行缓冲, 本设计中采用一种储气式缓冲装置。本设计中采用一种储气式缓冲装置。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓
14、拓拓拓 展展展展 在系统中设置一个溢流阀在系统中设置一个溢流阀, 增加一个工频运行小泵增加一个工频运行小泵, 这样这样, 在 需求量较小时 在 需求量较小时, 由小泵供水以避免变频大泵低频运行。如果用户 很少时 由小泵供水以避免变频大泵低频运行。如果用户 很少时, 通过溢流阀进行溢流以保证供水压力的恒定。其管路与 相关装置如图 通过溢流阀进行溢流以保证供水压力的恒定。其管路与 相关装置如图4 -4 -2 所示。所示。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 项目实施项目实施 1.空调控制系统分析与供水方案的确定空调控制系统分析与供水方
15、案的确定 空调控制系统主要由两部分组成空调控制系统主要由两部分组成, 即空调的风量自动调节系 统和变频恒压供水控制系统。在空调风量控制系统的设计中 即空调的风量自动调节系 统和变频恒压供水控制系统。在空调风量控制系统的设计中, 使 每一个空调器作为一个 使 每一个空调器作为一个CAN 总线的一个节点总线的一个节点, 并与热泵控制系统 共同组成一个 并与热泵控制系统 共同组成一个CAN 总线控制网络总线控制网络, 实时进行风量的调节与控制实时进行风量的调节与控制, 同时同时, 房间换热风机还可由室内人员自行确定与调整。在供水系 统中 房间换热风机还可由室内人员自行确定与调整。在供水系 统中, 除
16、了在小流量状况下除了在小流量状况下, 主控制节点根据空调器的使用情况主控制节点根据空调器的使用情况, 通过对压力参数分析通过对压力参数分析, 结合变频器的最低运行频率结合变频器的最低运行频率, 通过通过CAN总线 网络进行大小泵运行切换外 总线 网络进行大小泵运行切换外, 空调供水系统在变频器的运行时空调供水系统在变频器的运行时, 可 作为一个相对独立的系统进行设计 可 作为一个相对独立的系统进行设计, 即为本项目研究的内容。即为本项目研究的内容。 构构构构 思思思思 求求求求 知知知知 实实实实 施施施施 评评评评 价价价价 拓拓拓拓 展展展展 使用变频器进行恒压供水的控制策略有多种使用变频器进行恒压供水的控制策略有多种, 而通过压力传 感器进行信号采集比较多见。如在多泵控制系统中 而通过压力传 感器进行信号采集比较多见。如在多泵控制系统中, 由压力传感 器反馈的水压信号 由压力传感 器反馈的水压信号(4 20 mA 或或0 5 V) 直接送入直接送入PLC 的的A/ D
