基于PLC的小型地源热泵控制系统设计与应用

黄越洋，毛慧德，石元博，解 莹

（1.辽宁石油化工大学 信息科学与工程学院，辽宁 抚顺113001；2.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，辽宁 抚顺113001；3.辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺113001）

基于PLC的小型地源热泵控制系统设计与应用

黄越洋1，毛慧德1，石元博2，解 莹3

（1.辽宁石油化工大学 信息科学与工程学院，辽宁 抚顺113001；2.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，辽宁 抚顺113001；3.辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺113001）

针对能源紧缺与环境问题，提出以太阳能和地源热泵联合供热制冷的方法。本文通过研究地源热泵机组工作原理，地源热泵各部分工作特点，提出地源热泵供热系统整体控制方案，同时加入交换机，利用TCP/IP协议进行远程监控。通过对系统进行连续实地测试，可以得出地源热泵控制系统和传统的锅炉、空调相比，具有污染小、能源转化率高、性能更好的优点。

地源热泵；PLC；组态软件；联合供暖制冷

随着科技与经济的发展，传统的锅炉供热和空调制冷模式已经无法满足当今社会的可持续发展要求。而地源热泵技术的兴起，弥补了传统供热制冷系统的缺陷，所以地源热泵的研究意义重大[1-2]。

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术。地源热泵，冬季把地下土壤中储存的热量转移到建筑物内，夏季再把地下储存的冷量转移到建筑物内，达到冬季供热夏季制冷目的，在一年中就形成一个冷热循环[3]。地源热泵控制系统集自动切换、数据采集、超限保护、状态监控、用户自定义等功能于一体，达到远程控制与改善运行效果的目的。地源热泵以其出色的节能特性，被广泛应用于于各行各业，主要包括商城、宾馆、办公大楼、学校等建筑，特别适用于小型别墅[4-8]。

地源热泵技术需要一套完整的控制系统对其进行控制，以应对不同环境，来获得最佳运行状态。目前国内外对复合式地源热泵系统运行控制策略已经取得了一定成就，文献[11]从经济角度研究了地源热泵控制系统的可行性；文献[12]采用单片机来控制地源热泵控制系统，文献[13]采用 PLC来控制地源热泵控制系统。

文中在传统地源热泵基础，提出以太阳能和地源热泵联合方式进行供热制冷。同时为保证系统稳定运行，将采用专用PLC来控制地源热泵控制系统。

1 地源热泵系统设计

本设计来源为某高校教学实验生态楼供暖制冷项目，供演示教学使用。建筑共4层，地上3层，地下1层。地源热泵控制系统要求：楼内温度按照季节与环境温度变化，使楼内温度适宜。系统分为两部分：1）上位机远程控制系统。2）下位机地源热泵系统（部分）[14]。

系统结构如图1所示，整个系统自上而下分为3个层次，上层为计算机人机交互界面（有组态王软件搭建），在1楼主控制室中；中层为数据传输层，采用以太网通信方式线路连接，通信协议采用Modbus TCP/IP协议；下层为仪表、设备与控制器组成，控制器向设备发送指令或者接收设备发送上来的数据。采用数字量、模拟量直连控制器或者RS485异步串口通信的方式进行数据通信，其中RS485方式通信协议采用串行链路Modbus协议[15]。

图1 系统结构图

2 系统运行模式

2.1 地源热泵系统工作原理

地源热泵系统核心装置为地源热泵机组，机组内部蒸发器与冷凝器用来供热制冷。利用压缩机进行流体输送，实现能量交换。原理如图2所示。粗线代表热量高的介质，细线代表热量低的介质，虚线代表热量变化的区域。

图2 机组原理

2.2 地源热泵系统工作模式

本系统为太阳能和地源热泵联合供热制冷系统。系统工作模式分为冬季采暖、夏季空调和过渡季补热，同时设计数据监测系统和超限保护系统保证系统平稳、安全运行[16]。

1）冬季采暖模式：太阳能集热系统为地源热泵系统辅助供热。进入冬季采暖模式，对应阀门开启，然后启动地埋管循环泵与空调侧循环泵，水流开关显示正常后，启动地源热泵机组并启动机组上的制热模式，启动太阳能采暖一次泵与太阳能采暖二次泵，太阳能为系统补热。

2）夏季空调模式：分为4种子模式，分别用符号①②③④表示。子模式①②不开启热泵机组，空调系统循环水通过地埋管换冷板式换热器与地埋管系统交换热量，由此降低楼内温度；子模式③④室内对空调要求较高时，热泵机组开启，为室内空调末端提供冷冻水。其中子模式②④井群1为室内制冷，井群2用作太阳能补热，并启动地埋管补热循环泵。

3）过渡季补热模式：春秋季过渡季节，启动太阳能采暖一次循环泵和地埋管补热循环泵，太阳能集热器采集热量通过环路循环到地下。

4）数据监测系统包括

①单项电表电力信息采集系统：采集系统电压、电流、功率和电量信息。

②出口温度采集系统：对管路、板式换热器等管路出口进行温度监测。

③供水流量采集系统：对供水流量、瞬时流速、累加总量等信息进行监测。

5）超限保护系统包括：

①阀门反馈监测系统：通过监测阀门自身反馈信号来监视阀门开启关闭结果，若出现故障，对其编号进行报警从而快速修理。

②循环泵监视系统：对水泵进行远程控制与远程接收反馈信号，判断循环泵是否运行正常。

③水箱自动补水系统：监测水箱水位，控制安装在自来水管上的电磁阀，达到自动补水功能。

④水流开关监测系统：使用水流开关对循环泵出口的水流状态进行检测，显示循环水泵是否正常工作或者管路是否通畅。

⑤温度上下限保护系统：监测所在位置温度，系统可设置温度上下限，温度高于设定上限或者低于设定下限时，启动系统保护，先停止机组运行，3分钟后停止循环水泵。

⑥集（分）水器差压保护系统：监测地埋管侧和空调侧供回水的压力，系统设置差压上下限。当系统差压超过上限时，打开分集水器联通的电动阀平衡系统压力。当空调侧压力低于压力下限时，启动补水水泵为空调侧系统补水。

3 地源热泵控制系统的实现

3.1 位机远程集成中控系统的实现

本系统采用组态王软件搭建人机交互界面（HMI）。上位机中设有管理员组与观察组。其中只有管理员组有权限修改系统控制参数。上位机界面中设计有主控界面、阀门总览、水泵调频、温度监测与差压保护系统界面、水流流量监测、电力信息监测、管理员配置界面。

主控界面主要显示每组阀门动作状态、工作模式选择、地源热泵机组温度信息和水泵控制状态信息。在主控界面中点击按钮，对对应阀门状态和水泵工作频率进行调节。如图3所示，图中左侧区域为工作模式选择区域，中间区域为系统信息显示区域，右侧区域为阀门总览区域。

图3 主控界面

温度与差压界面主要显示各组换热器进出口温度、管理员配置好的系统控制参数、分集水器两端压力以及调压阀的状态。温度与差压界面如图4所示，左侧区域为换热器温度信息显示区域，中间区域为管理员控制参数设置；右侧区域为分集水器信息显示。

图4 温度与差压界面

3.2 运行结果及分析

下面以冬季采暖模式为例（其中制热上限43℃，下限40℃），地源热泵机组共2台，空调侧循环泵共3台为2用1备，地埋管循环泵共3台，为2用1备，电动蝶阀共38个[17]。

下图5为冬季采暖供热模式的流程图。进入冬季采暖模式，阀门1、3、4，7打开，阀门2、5、6关闭。阀门正常开启3分钟后开始启动循环水泵，若阀门启动故障，则停止水泵的启动，系统对故障阀门编号进行报警。阀门信息反馈正确后，启动地埋管循环泵，水泵反馈信号正常1分钟后启动下一项，否则停止启动下一项。正常启动地埋管循环泵后，启动空调侧循环泵，若出现故障处理同地埋管循环泵。当所有工作的地埋管循环泵与空调侧循环泵正常运行3分钟后，对应的水流开关显示水流正常后，启动地源热泵机组并启动机组上的制热模式，如果机组水流未正常循环，则停止启动下一项，并显示故障水流开关编号。故障解除后，重新启动地源热泵机组。地源热泵机组正常运行10分钟后，启动太阳能采暖一次泵，正常运行后启动太阳能采暖二次泵，太阳能为系统补热。

图5 冬季采暖供热模式流程图

下面对冬季模式下热泵温度变化进行测试，时间选取20分钟，温度变化如表1所示。

表1 温度变化

4 结 论

随着世界能源短缺和环境污染日益严重，地源热泵控制系统必然将取代统锅炉供热与空调制冷模式[9]。使用地源热泵控制系统的供暖制冷方式可以有效地控制环境污染和实现能源可持续发展。本文中对系统各部分进行了分析，并设计了相应控制方案，最终实现了地源热泵系统的自动运行与远程控制的目的，在以后的工作中会继续努力加强对此技术的研究。

[1]赵桂章.地源热泵的发展现状及新方法研究[J].山西建筑，2013，7（3）:124-125.

[2]金家胜.建筑工程技术中的节能与环境保护新技术[J].煤炭技术，2012，31（11）:149-150.

[3]张国柱，夏才初，孙猛，等.寒区隧道地源热泵供热系统及优化分析[J].同济大学学报：自然科学版，2012（4）:610-615.

[4]武佳琛，张旭，周翔，等.基于运行策略的某复合式地源热泵系统运行优化分析[J].制冷学报，2014（2）:6-12，29.

[5]齐游洋，辛立民.浅谈地源热泵技术[J].四川建材，2015，10（5）:41.

[6]刘舰，董傲霜，姜国伟.土壤源热泵在空调系统中应用分析研究[J].辽宁工业大学学报：自然科学版，2013，33（3）:171.

[7]陈文飞.建筑智能化工程全过程造价控制探究[J].山东工业技术，2016（11）:99，244.

[8]倪晓伟.建筑智能化工程问题与建议[J].商业故事，2015（25）:32.

[9]汪波.杭州武林府公寓生态节能设计[J].空调制冷，2013，43（1）:76-79.

[10]李如意，汪会财，侯兴哲，等.面向智能楼宇的互动节电系统设计与实现[J].电气应用，2015（S2）: 63-68，174.

[11]姜宝成，王永镖，李炳熙.地源热泵的技术经济性评价[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35（2）:195-198，202.

[12]杜春旭.小型地源热泵机组控制系统设计开发[D].北京:北京工业大学，2005.

[13]林昕，陈海霞.PLC在地源热泵系统中的应用[J].智能建筑，2010（117）:69-71.

[14]蒋晓峰，施伟锋.基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计 [J].电力自动化设备，2011，31（1）: 122-125.

[15]李忠.智能楼宇中通信自动化系统的引用思考[J].电脑知识与技术，2016（12）:250-251.

[16]陈正顺，余跃进.混合式地源热泵夏季运行的试验研究[J].流体机械，2015（6）:66-68，55.

[17]韩宗伟，丁慧婷，李先庭，等.季节性蓄存空气热能的地源热泵空调系统模拟[J].东北大学学报：自然科学版，2012，33（3）:439-443.

[18]吴东林.基于PLC的危险气体存储监控系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（6）：97-99.

[19]康红明，贾春凤，李伟,等.基于PLC的液位和温度控制系统设计 [J].工业仪表与自动化装置，2015（6）：45-47，51.

The design and application of small ground-source heat pump control system based on PLC

HUANG Yue-yang1，MAO Hui-de1，SHI Yuan-bo2，XIE Ying3
（1.The School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2.The School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；3.The College of Chemistry Chemical Engineering and Environmental Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

Aiming at the shortage of energy and environmental problems，the method of using solar energy and ground source heat pump for heating and cooling is put forward.In this paper，the ground source heat pump working principle is studies.Then，according to the working characteristic of the ground source heat pump，put forward overall control scheme of a ground source heat pump heating system.At the same time，we add switches and use TCP/IP protocol to remote monitoring.Through continuous field testing of the system，it can be concluded that the ground source heat pump control system has the advantages of less pollution，high energy conversion rate and better performance than the traditional boiler and air conditioning.

ground-source heat pump；PLC；kingview；joint heating and cooling

TN913

A

1674－6236（2017）10-0074-04

2016-06-27稿件编号：201606206

辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014150）；辽宁省博士启动基金项目（201501104）

黄越洋（1981—），女，辽宁昌图人，博士研究生，讲师。研究方向：工业过程先进控制，无线传感器网络定位。