地源热泵热水系统恒压供水实用技术研究

魏 华，蒙联光

（广西经贸职业技术学院，南宁 530021）

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，人民对工作、生活环节的舒适度要求越来越高，办公、商业、住宅等现代化建筑的供热已经成为普遍的要求。与此同步增长的是建筑能耗。建筑能耗主要包括采暖、通风、空调、照明、炊事、家用电器和热水供应等方面。统计表明，我国建筑能耗约占社会总能耗的30%，其中，热水供应约占建筑能耗的15%。建筑节能已经成为世界节能主题，本文仅讨论建筑节能中的热水供应节能问题。

常见的供热方式有电阻式、电动空气源热泵、燃油和燃气锅炉、地源热泵。前三者的一次能源利用率约为30%，因能源利用率低、大气污染严重、运行费用高而被逐步淘汰和限制使用；地源热泵的一次能源利用率大于40%，它与变频恒压相结合，构成变频节能恒压热水供水系统，在经济、技术等各方面都具有明显的优越性。特别是城镇住宅小区的建设项目中的节能措施，国家有相关的强制规定。现以该系统为例，对PLC编程和变频运行参数设置进行研究。

1 地源热泵热水系统恒压供水简介

《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366—2005）指出，地源热泵系统是“以岩土体、地下水或地表水为低温热源”的供热空调系统，2003年出版的《ASHRA E H and book Applications(SI)》把地源热泵定义为“是一种使用土壤、地下水、地表水作为热源和热汇的热泵系统”。换而言之，地源热泵技术能够通过输入少量高位能，把不能直接利用的低位热源作为冬季采暖热源和夏季制冷冷源，利用热泵，转换为可以利用的高位热源，以满足公用、商业、住宅等建筑冬季采暖、夏季制冷及全年热水供应，达到节省高位能的目的，是非常典型的高效、节能、环保，能实现可再生和可持续发展的能源利用新技术。

图1 地源热泵地下换热原理示意图

其中，高位能包括煤、燃气、油、电能等；低位热能普遍存在且可再生，包括浅层地热能、地表热能，如岩石和土壤、地下水、地表水(包括江河湖海水)中的热能，太阳能，生活和生产废热等；“热泵”是一种能效较高的节能装置，作用是借助于埋藏在地下的换热器，从岩石和土壤等低位热源吸取能量，并利用高位能传递给高位热源，其工作原理如图1所示。实验证明，地源热泵从岩石或土壤中“搬运（取得）”4 kw的浅层地能只需要不到1kw的电能，能效比高达25%以上；使用1度电，电热水器产生817千卡的热量，地源热泵产生3870千卡热量，地源热泵的能效是电热水器的4.7倍。

把地源热泵技术生产的55℃的热水，用变频恒压供水技术向高层住户输送生活热水，衍生出一种“双重节能”的高效、环保、可再生、可持续发展的新技术，即地源热泵热水系统恒压供水技术（简称热水系统，以下同）。

2 热水系统电路组成

热水系统由主电路和控制电路组成。其中，主电路包括电源开关1～5 QF、熔断器FU、交流接触器1～6 KM、热继电器FR 1～FR 3、水泵电机（三台5.5 kW）、变频器ACS 510等，如图2所示。它采用“一拖三”的控制模式，即一台变频器ACS 510控制三台水泵电机。控制电路主要由PLC（S 7-200 CPU 224）、转换开关1 SAC等组成，如图3所示。其中，转换开关1 SAC控制系统的工作状态：自动、手动、停止；断路器1 QF～5 QF与6个交流接触器配合，既能控制1＃、2＃、3＃水泵电机工频——变频切换，又能控制1＃、2＃、3＃水泵电机同时或单独运行在工频状态；PLC控制6个交流接触器的通断；变频器ACS 510通过变频调速，控制1＃、2＃、3＃水泵电机的转速，进而控制热水系统的供水量。

3 热水系统电路工作原理

热水系统有手动和自动两种工作状态，手动工作状态一般在自动工作状态有故障或系统维护时采用，本文只分析自动工作状态下电机工频和变频工作状态的切换。

图2 恒压供水系统主电路图

图3 恒压供水系统控制电路图

设定恒压热水供水用户管网压力给定值，将转换开关1 SAC置“自动”位，启动热水系统，变频器ACS510软起动1＃泵电机，1＃泵电机变频运行。

用水高峰期，系统用水量增加，扬程降低，供水水压下降，供水量不足，甚至于水龙头不出水。变频器ACS 510根据用户管网压力反馈信号，上调1＃泵电机频率，使其转速上升，供水水压上升；当变频器ACS 510调到上限频率时，若供水水压仍然小于设定值，PLC自动将1＃泵电机切换到工频状态，软启动2＃泵电机，2＃泵电机变频运行；若还不能满足要求，则1＃、2＃泵电机切换到工频状态，软启动3＃泵电机，3＃泵电机变频运行。

此时，若系统用水量下降，扬程升高，供水水压上升，供水量偏大，变频器ACS 510根据用户管网压力反馈信号，下调3＃泵电机频率，使其转速、供水水压下降，直至变频器ACS 510调到下限频率软停车，PLC将2＃泵电机由工频切换到变频状态，维持恒压供水，以此类推。

这样，变频器ACS 510根据用户管网压力反馈信号不断调节输出交流电频率，通过电机的工频——变频切换及变频调速的配合，保证用户管网压力始终维持在恒压供水的设定值。系统的节能由电动机变频调速工作状态决定。

4 热水系统PLC控制程序编程

PLC控制程序的编程在专用的编程器上进行，步骤如下：1）根据图3交流控制原理图的控制原理，画出梯形图；2）根据梯形图写出语句表；3）用汇编语言编好控制程序；4）在专用的编程器上反复修改，直至满意；5）写入PLC可编程序控制器。

PLC外围端子主要与按钮、接触器触点、电源、变频器等连接，如图4所示。具体接线、编程和写入方法请参阅《S 7-200 CPU 224》用户说明书和《电气控制及可编程序控制器》实验指导书。

笔者设计的PLC控制程序编程语句表如下所示，仅供参考。

LD I 1.0 // 减泵命令1，此时1＃、2＃泵工频，3＃泵变频

图4 PLC（CPU224）外围接线图

ANI 0.1

AI 0.2

ANI 0.3

AI 0.4

AI 0.5

ANI 0.6

= M 0.0

LDI 1.0 // 减泵命令2，此时1＃泵工频，2＃泵变频，3＃泵停止

ANI 0.1

AI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.1

LDI 0.7 // 增泵命令1，此时1＃泵变频

AI0.1

ANI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.2

LDI 0.7 // 增泵命令2，此时1＃泵工频，2＃泵变频

ANI 0.1

AI0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

= M 0.3

LDI 0.1 //故障报警显示

AI 0.2

LDI 0.3

AI 0.4

OLD

LDI 0.5

AI 0.6

OLD

OSM 0.0

O Q 0.0

ANI 0.0

=Q 0.0

LDI 0.0 // 减泵命令2，将1＃号泵切换到变频，自保持，直至增泵命令1下达。

ANI 0.1

ANI 0.2

ANI 0.3

ANI 0.4

ANI 0.5

ANI 0.6

LDQ 0.1

ANM 0.2

OLD

O M 0.1

ANI 1.1

ANI 1.4

= Q 0.1

LDM 0.2 // 增泵命令1，将1＃泵切换至工频，自保持，直到增泵命令2或者减泵命令2下达

LDQ 0.2

ANM 0.1

ANM 0.3

OLD

ANI 1.1

ANI 1.4

= Q 0.2

LDI 0.2 // 延时3秒。

TONT 37, +30

LDT 37 // 变频启动2＃泵，自保持，直到增泵命令2或者减泵命令2下达

OM 0.0

LDQ 0.3

ANM 0.1

ANM 0.3

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.3

LDM 0.3 // 增泵命令2，将2＃泵切换至工频，自保持，直到减泵命令1下达

LDQ 0.4

ANM 0.0

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.4

LDI 0.4 // 延时3秒。

TONT 38, +30

LDT 38 // 变频启动3＃泵， 自保持，直至减泵命令1下达

LDQ 0.5

ANM 0.0

OLD

ANI 1.3

ANI 1.4

= Q 0.5

LDM 0.3 // 增泵命令，此时1＃、2＃、3＃泵在工频，直至减泵命令1下达

LDQ 0.6

ANM 0.0

ANM 0.1

OLD

ANI 1.2

ANI 1.4

= Q 0.6

LDQ 0.1 // 启动变频器。

O Q 0.3

OQ 0.5

ANI 0.6

ANI 0.4

ANI 0.2

ANI 0.0

ANI 1.4

= Q 0.7

5 热水系统变频器ACS510运行参数设置

系统能否正常运行，节能指标能否达到，关键在于变频器运行参数的设置。作者设计好的变频器运行参数输入数据如表1，可供参考。

变频器是现代高新科技电子产品，其运行参数的输入是难度较高的技术，要注意设备安全和人身安全。ACS 510变频器外围端子接线请参阅ACS 510变频器用户说明书，如图5所示。在断电情况下，按照设计图纸，将变频器外围接线端子用不同的专用缆线与电源、电动机、远传压力表、PLC可编程控制器连接好，并详细检查其连接可靠性。

表1 ACS510变频器恒压供水运行参数表

最后，经过检查准确无误后，按照ACS 510变频器用户使用说明书的规程进行操作，在“交流变频调速实训装置”上，进行节能运行参数输入操作和通电测试。具体调试方法可参照《ACS 600系列变频器的初始启动参数及其节能运行参数的设置》（第二作者蒙联光《广西节能》，2004.）。

6 热水系统系统测试

图5 ACS510端子接线示意图

将转换开关1 SAC置“自动”位，合电源开关1～5 QF，按下起动按钮7 SB，1 KM 得电，1＃泵电机带变频器软启动，变频运行。

当系统用水量上升时，变频器频率随用水量的上升而上调，若调到最高频率时用户管网压力仍低于给定值，则变频器向PLC的I 0.7输出增泵信号；PLC发出指令，Q 0.1接 通 1 KM线 圈， Q 0.2断开 2 KM线圈，1＃泵电机切除变频器，由变频状态切换到工频状态；定时器开始计时，变频器由50 Hz的最高频率逐渐下调到30～35 Hz的最低频率；定时时间3 s到，Q 0.3接通3 KM线圈，2＃泵电机带变频器软启动，变频运行。若用户管网压力还没有达到给定值，则按程序切换2＃泵电机到工频，再使3＃泵电机带变频器软启动，变频运行。

当系统用水量下降时，变频器频率随用水量的下降而下调，若调到最低频率时用户管网压力仍高于给定值，则变频器ACS 510向PLC的I 1.0输出减泵信号；Q 0.3断开3 KM线圈，2＃泵电机软停车；Q 0.1接通1 KM线圈，Q 0.2断开2 KM线圈，1＃泵电机由工频切换到变频。

系统正常工作的关键如下：一是延迟时间设置为3 s，保证变频器从最高频率返回最低频率，减小处于静止状态的高位水泵电机的启动电流，防止启动电流损坏电机，；二是最低频率设置为30 Hz～35 Hz，防止水泵在临界转速出现“空转”，引发系统振荡；三是设置软停车功能，避免系统“水锤”效应。

7 结束语

地源热泵技术与变频恒压供水有机结合，是获得和利用廉价、清洁、可再生、普遍存在的能源的高新技术。尤其是PLC的正确编程，变频器参数的准确设置，难度高，工作繁杂。笔者对多套系统进行了耐心、细致的反复设置、调试，得出了保证系统安全、可靠、节能运行的PLC语句表和变频器运行参数表，经济效益和社会效益初见成效，建议在人员密集、用热水量大的场合，如智能住宅小区、大学和中学学生宿舍、综合办公大楼、大型商场、星级酒店、美容美发中心、健身中心、泳池等现代智能建筑中大力推广。

[1] 王占奎.变频调速应用100例[M].北京: 科学技术出版社, 2004.

[2] S 7-200可编程序控制器产品目录[M].西门子(中国)有限公司, 2008.

[3] ACS 510用户手册[M].北京: ABB电气传动公司, 2008.

[4] 蒙联光.ACS 600系列变频器的初始启动参数及其节能运行参数的设置[J].广西节能, 2004.

[5] 陈新恩.基于S 7-200的变频调速恒压供水系统[J].制造业电气, 2006.

[6] 孙晓光, 林豹, 王新北.地源热泵工程技术与管理[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

[7] 赵军, 戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.