地源热泵空调计算机控制系统研究

邱水

摘 要：计算机控制系统以其强大的逻辑运算、极高的可靠性、适应工业过程现场以及强大的联网功能等特点使用越来越普遍。目前，计算机控制系统已广泛的应用于各种生产工艺过程中，用于数据采集、状态判别和输出控制等。在计算机控制系统管理层里，通常用工控机担负人机交流界面功能，用组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能。基于此，本文针对地源热泵空调计算机控制系统展开详细的分析和研究。

关键词：地源热泵空调；计算机控制系统；计算机控制技术

前言：随着生产技术的进步和科学技术的发展，在生产工艺中要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以此来达到更高的控制精度、更快的控制速度和实现更大的经济效益。因此计算机控制，作为自动控制理论在工业控制过程中的应用不断得到快速发展。在生产过程中，通常需要测量和控制的变量有温度、压力、流量、液位、重量、电量电流、电压、功率和成分等，这些变量的测量和控制也随着电子技术、计算机技术以及测量技术的不断发展，其基本测量原理虽然变化不大，但是信号转换、显示和控制装置的变化却发展十分迅速。

1 计算机控制系统的组成

随着生产不断发展和技术水平的提高，控制技术采用一些自动装置代替人工操作。被控制的对象如热交换器等加上一些自动控制装置计算机、测温仪表及变送器、调节器、执行机构、调节机构等，就构成了一个计算机自动控制系统。计算机控制使得劳动强度大为降低，控制精度得到提高，控制质量得到可靠的保证[1]。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机强大的算术运算、逻辑运算及记忆等功能，运用计算机指令系统，编出符合某种控制规律的程序。计算机通过执行这些程序，就能实现被控参数的控制。在计算机控制系统中，程序是无形的，这也就是我们通常说的软件，而设备是有形的，通常我们称作为硬件。在以往常规控制系统中，系统的控制规律由硬件决定，这样的话，如果改变控制规律就必须变更硬件。而在计算机控制系统中系统的控制规律的改变仅仅只需要改变程序软件就可以了，因此对于修改控制规律来说，计算机控制系统无疑是非常的方便的。

2 地源热泵空调计算机控制系统设计原则

地源热泵空调计算机控制系统实施成功与否，在很大程度上取决于计算机控制系统总体方案的构建。设计一套既能满足生活需要成本又低的控制系统是最终的目的。根据地源热泵空调的运行模式对整个空调系统进行计算机控制方案的设计，设计时主要从以下原则入手：

2.1 节能性原则

目前的地源热泵空调系统的设计能力和实际运行过程中负荷的需求量之间还存在着较大的差异，也就是说，目前对地热资源的利用还存在很大的浪费。

2.2 可靠性原则

由于地热资源埋藏于地下的特殊性，地下换热系统一旦建好就必须长期稳定得工作运行。所以这就要求在设计时保证设计的系统可靠性一定要高。

2.3 匹配性原则

系统的设计要使得与其它建立在负荷分配基础上的压缩机、加热器等相互匹配。

2.4 智能化原则

在室内外环境温、湿度的实时测量和地热水温度、热泵机组进出口水温度以及流量的实时测量的基础上，进行各种负荷计算、烩值计算等，以此作为系统工况最佳分配的实时数据基础，自动完成随负荷变化而进行的逻辑判别和运行控制。

3 地源热泵空调系统控制设计

3.1 系统功能分析

控制系统具有远程控制和现场控制两种控制功能。系统通过工业控制计算机和工调节器对地源热泵空调系统中的送风机、回风机、深井水泵、循环泵和补水泵实现远程控制。同时，系统也可以通过直接操作变频控制柜，实现现场控制。控制系统可以工作在手动自动两种工作模式下[2]。手动和自动模式下均可实现远程现场控制和参数设定，在手动模式下，可以人为的根据气候、负荷的变化设定送风机、回风机、深井泵、循环泵和补水泵等电机的转速，此时相当于一种“开环控制”。

在自动模式下，只需要根据室内温度和室外温度的变化设定地源热泵的回水温度和房间的相对温度、相对湿度等参数，系统就能够根据外在气候条件的实际变化自动的调节各个电机的转速进行控制，满足用户实际需求。这样就减少了人工干预，提高了自动化水平。控制系统可以通过安装在地源热泵空调系统现场的各类传感器，检测地下水出水温度、回水温度、室外温度、室外相对湿度、室内温度、室内相对湿度、地热水出水流量、地热水回水压力、用户用水流量、补水流量等参数，并将这些测量数据通过变送器传送给计算机进行数据处理分析。并且所有参数均可在计算机显示器上显示，或由打印机直接打印出来。

为了保证系统的安全运行，控制系统设计为可以通过对温度、压力等信号进行报警设定，当地源热泵空调系统在运行过程中超过了上、下限设定值时，系统就会自动提示报警信息。对一些必要的参数，控制系统还设置了报警联动功能，即超限时地源热泵空调系统会自动停止运行。整套控制系统为方便统计分析，设计为计算机可以产生相应的各种参数报表，随时提供查询和打印参数变化实时趋势图和历史趋势图、报警记录和数据记录报表等。

3.2 系统控制结构

設置动力控制中心控制冷却、冷冻水泵变台数、变频运行，并具有与空调主机联锁自动控制功能。中央控制台有自动、手动两种控制方式可供选择，控制系统具有运行工况指示、故障自检声光报警、故障急停等功能。地源热泵空调系统，主要通过提取地表浅层土壤热源进行热交换为用户供暖和制冷同时提供生活用热水。系统控制分为地下换热控制系统、循环泵控制系统、补水泵控制系统以及室内末端控制系统。整个控制系统采用集中控制设计，分为三层。系统首先根据实际需要负荷量控制台机组的启停以实现负荷的粗调，然后根据热泵进出口温差控制深井泵的变频运行以实现负荷的精调。对于地热水来说，由于出口温度常年保持不变，基本维持恒定，所以在控制设计中首先根据实际需要负荷量控制台机组的启停以实现负荷的粗调，然后根据地热水回水温度为控制参数控制地热水的进出口温差。用温度传感器、变频器、调节器组成闭环控制系统，按照温差指标进行自动控制，用多少给多少真正实现节能[3]。

热水循环泵系统同样由循环水泵泵电动机组成，两台循环泵采用一台定速转动一台变速转动的形式，系统采用一台变频器拖动。为了满足用户的需要必须实现两台水泵电机转速连续可调，使得水泵电机转速根据实际热负载的大小而设定，这样既能保证用户的需求又能节约能源。变频器和工控计算机作为系统控制的核心部件，以末端最不利环路压差为反馈信号，时刻跟踪着该信号与设定值一般取的偏差变化情况，经过变频器内置的调节器运算，利用工控计算机实现水泵变频与工频的切换，自动控制水泵投入台数和电机的转谏，实现闭环控制，自动调整恒压差变量供水。

4 结语

随着计算机技术的快速发展，计算机广泛应用于社会各个领域。由于计算机具有强大得逻辑运算功能，因此在工业上将计算机与传感技术共同运用于自动控制中，构成了计算机自动控制系统。计算机利用传感装置将被控对象中的物理参量转换为电量，再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可以识别的数字量，并且再计算机的现实装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来。本章主要介绍了计算机控制系统的硬件构成以及原理，并通过分析了地源热泵空调系统的控制原理，提出了对地源热泵空调系统中的水泵和风机实行计算机监控的控制方案。

参考文献

[1]张群力，王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分析.流体机械，2016，（06）1-3.

[2]颜爱斌.地源热泵应用的技术分析与思考.天津城市建设学院学报，2015，（10）10-13.

[3]王金峰.能源结构的调整与优化必须以煤炭为基础.中国经济导报，2014，（21）1-3.