學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的智能控制設(shè)計

引言

與燃煤、燃氣、太陽能等傳統(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)可實現(xiàn)一年四季、全天24h安全運行: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)制熱效率可達到3～5。王宇對應(yīng)用于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)的空氣源熱泵進行了性能測試和運行情況評價,認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,單臺空氣源熱泵有嵌入式的控制系統(tǒng),可以智能運行,比如設(shè)定出水溫度、加熱時間等,但學(xué)生宿舍人數(shù)較多,需要多臺機聯(lián)機運行,因此多臺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60L熱水需求設(shè)計。項目主要設(shè)備有:保溫水箱1個:空氣源熱泵8臺:回水電動電磁閥3臺:進冷水（補水）電動閥1臺:熱泵循環(huán)加熱泵2臺（一備一用）:加壓供水泵2臺（一備一用）:定時供水電動閥1臺。設(shè)備布置圖如圖1所示。通常酒店的熱水系統(tǒng)設(shè)置兩個水箱,一個水箱用于循環(huán)加熱,另一個水箱用于供應(yīng)熱水:而學(xué)生使用熱水時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)置一個水箱,在非供應(yīng)熱水時間將水箱中的水加熱。

2控制系統(tǒng)總體設(shè)計

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）、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、繳費管理模塊等,主要功能有用戶注冊和注銷,存儲和查詢熱水使用記錄,存儲和查詢繳費記錄等。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)的智能運行主要由組態(tài)軟件和PLC來實現(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,對接收的數(shù)據(jù)進行邏輯運算和數(shù)字運算等處理,將運算結(jié)果傳回PLC,通過PLC控制現(xiàn)場設(shè)備的運行:可以將PLC傳回的實時信息和經(jīng)組態(tài)軟件處理過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)場設(shè)備的運行:組態(tài)軟件可以用動畫、圖表等形式呈現(xiàn)熱水設(shè)備的運行狀況,可以將熱水系統(tǒng)的緊急工況（如報警等）通過軟件界面、短信通知管理員,使管理人員可以及時處理相關(guān)問題:可以存儲運行數(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),熱泵的進水管路沒水時自動停機,進入缺水保護狀態(tài):當(dāng)監(jiān)控到環(huán)境溫度和熱泵交換器溫度達到某一閾值時,熱泵可自動除霜:可以設(shè)定熱泵工作運行時間:可以設(shè)定目標水溫,即水箱中的水需要達到的溫度。在有多臺熱泵的熱水系統(tǒng)中,每臺熱泵都連接水箱中的溫度傳感器,對溫度傳感器采集的溫度與熱泵中設(shè)定的目標溫度進行比較:如果小于目標溫度,則發(fā)送信號驅(qū)動熱泵循環(huán)泵,水箱中的水流入熱泵加熱,如果等于目標溫度,則不發(fā)送信號,熱泵循環(huán)泵不運行。單臺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,使用熱水時間集中,因此在熱水供應(yīng)時間之前,水箱已經(jīng)按估計的用水量加好水,在熱水供應(yīng)過程中,水箱不補冷水。

（1）水箱補水。在組態(tài)軟件中設(shè)置非供水時間的水箱水位。水箱中裝有水位傳感器,水位信號經(jīng)PLC傳給組態(tài)軟件。當(dāng)水箱水位小于設(shè)定值時,組態(tài)軟件發(fā)出指令,驅(qū)動補水電動閥工作,水箱補水:當(dāng)水箱水位等于設(shè)定水位時,補水電動閥停止工作。

（2）熱水循環(huán)加熱。水箱中設(shè)有多個溫度傳感器,每臺熱泵與溫度傳感器連接,在熱泵控制系統(tǒng)中設(shè)置目標水溫（即供應(yīng)熱水的水溫）,當(dāng)水箱中的水溫低于目標溫度時,熱泵發(fā)送信號驅(qū)動循環(huán)泵工作,水箱中的水進入熱泵繼續(xù)加熱,當(dāng)水箱中的水溫等于目標溫度時,循環(huán)泵停止工作,熱泵停止工作,進入缺水保護狀態(tài)。

（3）熱水供應(yīng)。在組態(tài)軟件中設(shè)定供水時間,有權(quán)限的管理人員可隨時更改供水時間。水箱設(shè)有溫度傳感器,溫度信號經(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)開始時間,組態(tài)軟件發(fā)送指令,熱水供應(yīng)電動閥啟動,開始供應(yīng)熱水。在熱水供應(yīng)電動閥前設(shè)有壓力傳感器和增壓泵,增壓泵可接收壓力傳感器信號,當(dāng)供水壓力低于設(shè)定值時,增壓泵啟動。

（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,組態(tài)軟件發(fā)出指令,回水電磁閥啟動,回水管中的熱水進入水箱,供水閥啟動,水箱中的熱水進入熱水供應(yīng)管道:當(dāng)回水管中的水溫等于設(shè)定值時,回水電磁閥關(guān)閉。

5熱水用量預(yù)測

學(xué)生宿舍使用熱水的時間很集中,為保證學(xué)生熱水供應(yīng),通常白天熱泵運行,在供應(yīng)熱水時間到來之前已經(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)計的(按規(guī)范,每人每天的熱水用量為40～80L,某學(xué)生宿舍按每人每天60L設(shè)計）。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)、不同的氣溫時熱水用量差異較大。

李娜研究了某高校學(xué)生熱水使用情況,在冬季男生和女生每人日平均用水量分別為27.2L和30.64L,男生宿舍樓的每人最高日用水量為28.6L,女生宿舍樓的每人最高日用水量為36.2L:周晉研究了某高校的熱水用量情況,發(fā)現(xiàn)男、女生的日用水次數(shù)和每次用水量存在較大差異。

根據(jù)某校后勤管理部門提供的數(shù)據(jù),男生宿舍、女生宿舍及男女混住宿舍(男女生住在不同的樓層）在不同的季節(jié)和氣溫時,熱水用量差異較大。如果按每人每天60L制熱,會造成較大的浪費,可以根據(jù)歷年熱水用戶數(shù)據(jù)和歷年氣溫數(shù)據(jù),訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):以某棟樓的男生數(shù)量、女生數(shù)量及天氣預(yù)報預(yù)測的第二天氣溫作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入,預(yù)測某棟樓第二天的熱水用量,熱水用量預(yù)測系統(tǒng)圖如圖6所示。預(yù)測的熱水用量存于管理軟件數(shù)據(jù)庫中,組態(tài)軟件讀取數(shù)據(jù)并傳給PLC,進冷水電動閥啟動,向水箱加水,當(dāng)水箱水量(根據(jù)水箱水位傳感器數(shù)據(jù)換算）達到預(yù)測用水量時,進冷水電動閥關(guān)閉?；谝陨显?編寫熱水用量預(yù)測模塊,并申請了軟件著作權(quán)(軟著登記號:軟著登字第6695054號）。

6結(jié)語

熱水系統(tǒng)是學(xué)生宿舍的重要設(shè)備,智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)熱水系統(tǒng)的自動運行,可通過組態(tài)軟件動畫了解系統(tǒng)的實時運行情況,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。熱水供應(yīng)既要滿足學(xué)生的熱水需求,又要考慮節(jié)能,故對于熱水用量的預(yù)測還需進一步深入研究。