地源热泵系统的应用及通过IFIX组态软件.docx
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地源热泵系统的应用及通过IFIX组态软件
摘要
本文主要通过介绍地源热泵系统的应用及通过IFIX组态软件的上位机监控系统来实现对地源热泵系统的监控。
主要涉及IFIX组态软件的基本应用，IFIX数据库的数值处理，数据标签的应用以及对I/O驱动的应用，从而实现从下位机的PLC中提取数据，处理，并实时显示地源热泵系统的运行状况，历史数据，并根据不同数据的范围产生报警数据，从而更好的检测控制整个系统的运行状况。
在IFIX系统中设置了对下位机PLC的数字量控制页面，从而使使用者能随时从上位机上检测控制PLC的运行，以处理一些突发事件。
系统流程能形象生动的让使用者观测系统运行状态及各个参量的变化。
使用IFIX能够直观的观测控制系统的运行，从而提高系统运行的平稳性，高效性，从而实现工业自动化。
关键词：
地热泵，传感器，IFIX，SCADA，开发软件
Abstract
ByintroducingtheapplicationofgroundsourceheatpumpsystemandbyIFIXconfigurationsoftwarePCmonitoringsystemtorealizeofgroundsourceheatpumpsystemmonitoring.MainlyinvolvesIFIXconfigurationsoftwarebasicapplications,IFIXdatabaseofnumericalprocessing,datalabelforapplicationandtheapplicationofI/Odrive,soastoachievethenextplacemachinefromextractingdataofPLC,handling,andreal-timedisplaygroundsourceheatpumpsystemoperationcondition,accordingtodifferenthistoricaldata,andthedatarangeproducealarmdata,therebybetterdetectioncontroltheoperationstatusofthewholesystem.InIFIXsystemsetupunderaPLCforthedigitalquantitycontrol,sothatuserscanpagefromuppermachineatthetestcontrolPLCtohandlesomerunningevents.Systemflowcanvividletusersobservationsystemoperationconditionandeachparameterchanges.UseIFIXcanintuitiveobservationcontrolsystem,soastoimprovetheoperationofthesystemoperation,highefficiency,soastorealizethesteadinessofindustrialautomation.
Keywords:
groundwatersourceheatpump,sensors,IFIX,SCADA,developsoftware
第1章概述
1.1研究背景
21世纪人类面临的最大挑战就是能源和环境问题，这直接导致了可持续发展问题的提出，实现可持续发展是世界各国共同面临的重大和紧迫任务，已经成为指导人们生产和生活的重要理论。
所谓可持续发展，就是指既满足当代人需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。
可持续发展理论已经被世界各国所接受，它必然成为指导当前空调技术发展的理论。
因此，空调技术的发展必须走可持续发展的道路。
适应可持续发展的要求，面对臭氧层耗减和全球温暖化进程加剧所造成的日益严峻的全球环境问题，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理配置资源，优化能源结构，可持续开发利用可再生能源，减少常规能源消耗，对于缓解日益紧迫的资源与环境压力，显得尤为迫切和重要。
适应这一要求，作为空调冷热源中能源转换效率最高的热泵应用技术，正受到人们的日益重视和关注。
近年来，在欧美等一些西方发达国家土壤源热泵已经被广泛的应用，目前，已经进入成熟的商品化和市场化阶段。
在国内，土壤源热泵技术的研究和应用也日益广泛和深入，由于其具有节能、环保和高效的特性，已经成为国内暖通界研究的热点和焦点问题。
1．2土壤源热泵技术及其应用
1.2.1热泵定义
所谓热泵，即是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置[1]。
利用热泵，可以把不能直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能。
热泵是一种高效节能的建筑物空调冷热源装置，利用热泵可实现建筑物的冬季供热和夏季供冷，或单独实现供热的功能。
热泵可按工作过程、热源和热汇、驱动方式等分类[2]。
关于按热源的分类方法，迄今为止尚未有统一的标准，不同的文献，所指对象往往有所差别。
就目前相关文献分析，按热源分类的方法主要有两种。
第一种分类和第二种分类方法地主要区别在于水源热泵和地源热泵的定义范围，具体来说，即地下水源热泵的归类的不同。
我国目前文献中基本上采用第一种分类方法，而在国外文献中，两种方法均有采用。
就目前国外文献来看，在有关设计方法和实际系统运行总结的文献中，采用第二种方法的较多。
在美国ASHRAE学会出版的《地源热泵工程技术指南》[3]一书中，更是将地表水源热泵、地下水源热泵和土壤热交换器地源热泵都归结为地源热泵的三种不同形式。
相对而言，国外近年发表的关于埋管换热器研究和特性模拟等学术论文中，所指地源热泵，一般为土壤源热泵。
事实上，以地表水、地下水和土壤为热源的热泵系统，热泵的运行工况和影响因素，有着很大的不同。
ARI（Air-ConditioningandRefrigerationInstitute）针对上述三种热源形式，1998年分别制定了水源热泵（water-sourceheatpumpARI320）[4]、地下水源热泵（ground-watersourceheatpumpARI325）[5]和闭环地源热泵（groundsourceclosed-loopheatpumpARI330）[6]的标准。
该标准定义的热泵分类方法基本上与第一种分类方法相类似。
在本文的后续内容中，所指地源热泵，如果不加特别说明，所指即为土壤热交换器地源热泵。
1.2.2热泵的应用发展现状
虽然自19世纪早期，卡诺循环提出来以后，热泵的循环原理就已经被人们所认识，但直到世界第二次大战后，随着建筑业尤其是住宅建设的发展，能够实现供冷和供热或单独供热的热泵技术才开始得到应用，但由于能源价格和效率等因素的制约，热泵的应用发展缓慢。
1973年石油危机以来，热泵技术的推广和应用收到了重视。
20世纪90年代，适应温室气体排放控制的要求，热泵技术在全球范围内发展迅速[7]。
经济和社会的发展、人们对居住环境标准要求的提高、以及能源结构和能源政策的变化，是驱动热泵应用市场不断扩大的直接动力。
节能和环境保护的要求以及不断扩大的市场需求，加快了热泵理论研究和应用技术的提高。
由于热泵所具有的节能优势，使其不但在建筑空调领域，而且在工业领域（木材和种子干燥、养殖等）也开始得到应用[7]、[8]。
2001年在宁波召开的全国空调与热泵技术交流会议和2002年5月在北京召开的第7届国际能源机构（IEA）热泵会议，反映了最近几年国内外在热泵研究和应用领域的最新进展
采用埋管式地源热泵方式，由于地表5米以下全年土壤温度稳定且约等于年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，因而可以取得比空气源热泵更好的节能效果，同时避免了空气源热泵用于低温条件下的结霜问题，从而可在更大的范围内获得应用。
其次，由于不直接抽取地下水，所以可有效避免对地下水资源的破坏，是一种合理开发利用地热资源的冷热源方式。
虽然受地下埋管内流体与土壤之间热交换速率的影响，需要布置较大的换热器面积和较高的投资成本，但地源热泵依然被认为，在目前和将来都是极具前途的节能装置和系统，是国际空调和制冷行业前沿性和热点课题之一[9]、[10]
1.3土壤源热泵系统及其特点
1.3.1土壤源热泵系统的定义
国际上通常根据热泵的冷源（heatsink）和热源（heatsource），以及热泵系统输送介质（distributionfluid）的不同对热泵进行分类，按冷热源可分为空气源热泵（air-sourceheatpumps，ASHP）、水源热泵（water-sourceheatpumps，WSHP）和地源热泵（ground-sourceheatpumps，GSHP）三大类。
热泵的输送介质主要空气和水，同时考虑冷热源和输送介质时，可分为：
空气—水热泵、水—空气热泵（包括地下水热泵和地表水热泵）、水—水热泵以及地下耦合热泵[11]。
地源热泵（GSHP）是一个广义的定义，包括冷热源为土壤、地下水和地表水的热泵系统，即：
地下耦合热泵系统（ground-coupledheatpumpsystems，GSHPs），也称为地下热交换器地源热泵系统（ground-heat-exchangerheatpumpsystems）和土壤源热泵系统（soil-sourceheatpumpsystems）；地下水热泵系统（groundwaterheatpumpsystems，GWHPs）；地表水热泵系统（surface-waterheatpumpsystems，GSHPs）[12]、[13]。
地源热泵还有一系列其它术语，如地热热泵（geothermalheatpumps，GHPs），地能热泵（earthenergysystems），地源系统（ground-sourcesystems，GS）等，1997年由ASHRAE统一为标准术语—地源热泵（ground-sourceheatpump，GSHPs）[13]、[14]。
本文所指的土壤源热泵系统就是以大地（土壤、地层等）为冷热源的地源热泵（GSHPs）。
土壤源热泵，就是将大地（土壤、地层等）中的冷（或热）量通过一定的装置采集，然后用一定的输送介质输送到需要的地方，改善人类的生存环境，达到调节空气环境的目的[15]。
1.3.2土壤源热泵系统的组成
土壤源热泵系统一般由地下耦合换热器环路、制冷剂环路、室内末端环路和生活热水环路四个循环环路组成。
1.3.3土壤源热泵系统的分类
按地下耦合系统分类土壤与热泵系统可分为水平埋管热泵系统和垂直埋管热泵系统；按有无中间流体分类土壤源热泵分为二次流体热泵系统和地下耦合自成封闭系统；按与土壤换热管道材料分类地热泵系统可分为热塑材料系统和金属材料系统。
1.3.4土壤源热泵系统的工作原理
大地常年吸收太阳辐射热能储存起来，因此地表浅层的土壤具有相对稳定的温度，我国大部分地区地表浅层土壤的温度在15℃～20℃之间，夏季低于环境温度，冬季高于环境温度。
土壤源热泵系统就是利用这一特点，夏季向土壤中释放热量，冬季从土壤中吸取热量，从而达到制冷和制热的目的。
1.4土壤源热泵系统的评价
1.4.1土壤源热泵系统的经济性分析
经济性指的是各种空调采暖方式的初投资、运行费用和热价。
目前国内外已采用的采暖空调联供方案有：
（1）热电冷三联供：
夏季，热电厂抽汽+蒸汽吸收式制冷；冬季，热电厂抽汽+汽水换热器供热。
（2）热电冷三联供：
夏季，热电厂热水+热水吸收式制冷；冬季，热电厂热水+汽水换热器供热。
（3）直燃式冷热水机组：
夏季、冬季，直燃式冷热水机组制冷、供热。
（4）电制冷+燃气（油）锅炉采暖。
（5）土壤源热泵。
（6）空气源热泵。
各种方案的投资和全年运行成本（不包括户内系统）见表1－2。
以土壤源热泵系统和电制冷＋锅炉供热系统进行具体分析，对于10000m2的建筑，冬季采暖运行时间按3000小时，设计热负荷为50W/m2，平均负荷按35W/m2。
夏季空调运行时间为2000小时，设计冷负荷按70W/m2，平均负荷按56W/m2。
根据上述数据，计算得：
电制冷＋锅炉供热系统，冷热源投资为144万元，年运行费用为67万元。
土壤源热泵系统冷热源投资为212万元，年运行费用为53万元。
土壤源热泵初投资增加68万元，年运行费用节约24万元，三年的时间即可收回其初投资增加的费用。
表1－2土壤源热泵系统经济性分析表
项目
热电冷（蒸汽）
热电冷（热水）
直燃式
电制冷+锅炉
土壤源热泵
空气源热泵
投资（万元/kW）
0.223
0.302
0.207
0.206
0.302
0.199
成本（元/kWh）
0.139
0.151
0.214
0.207
0.167
0.220
1.5我国地源热泵的研究现状
我国地源热泵的研究工作分两个阶段，第一阶段是90年代初以前，主要由天津大学吕灿仁、马一太等开展的地热水热泵采暖的研究[16]和天津商学院高祖锟等人[17]所开展的浅层土壤源热泵的研究（埋管深度地下1.6m）。
这一阶段研究工作的主要内容是研究利用热泵技术利用低温地热水采暖研究和探讨在我国应用土壤地源热泵的可行性。
相对而言，地热水源热泵取得了较多的理论研究成果，而对土壤源热泵的埋管换热机理和地源热泵的运行性能没有则开展更多的研究。
此后，1997年以来，开始了我国以土壤为热源的地源热泵的理论与实验研究。
具有代表性的研究工作有：
重庆建筑大学开展的浅埋竖套管的试验与理论研究[18]、[19]、[20]。
同济大学开展的40m－50m埋深的U型埋管地源热泵的性能实验和土壤热物性的测试实验[21]、[22]和青岛建筑工程学院的53m的地源热泵性能测试和实验分析[23]天津大学此阶段也继续开展了地源热泵的理论研究，并结合示范性系统进行实验研究[24]、[25]。
近期，山东建筑工程学院开展了示范性实验系统的研究[26]，河北建筑科技学院也已建成埋深120m的地源热泵实验系统，开始进行实验分析和研究[27]。
就国内总的研究现状来看，绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论，使得这些结论只适用于某一具体实验系统，所提供的基础数据较少，很难做为设计和运行控制依据。
在地下埋管换热复杂机理研究与模拟、埋管系统形式优化、土壤热特性等研究领域，与国外还有较大差距。
1.6系统的自动化控制要求
20世纪中叶，伴随着自动化科学技术的建立及工业化发展，诞生并逐渐形成一个崭新的学科自动化学科。
随着IT技术和控制技术的发展，工业自动化系统正在发生一些变化和变革。
三电一体化和嵌入式系统的发展，以PC为基础的分布式控制系统和现场总线的产品将成为工业控制装置的主流，先进控制和智能控制技术卓有成效的应用，表现了发展变化的趋势。
而且水泵系统为380V高电危险系统，应尽量减少与之的直接接触，提高操作者的安全系数。
在自动化系统迅猛发展的社会大背景下，要求我们做出智能化、分散化、网络化，同时能实现管控一体的系统，这就对我们提出了新的要求。
1.6.1控制系统的智能化、分散化、网络化
智能化包括智能设备、智能控制技术和现场总线技术等几个主要方面。
随着智能传感器、变送器、测量仪表、调节器、执行器等智能设备，以及如专家系统、模糊控制、自适应控制及神经网络等智能控制技术和现场总线技术在现代工业中的应用，地源热泵系统自动化将会向智能化方向发展。
智能设备、智能控制技术很明显是具有“智能”的。
现场总线技术则由于将专用的CPU置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，亦即“智能化”。
控制系统的分散化和网络化则主要表现在现场总线的应用上。
现场总线是应用在生产现场的全数字化、实时、双向、多节点的数字通信系统。
采用可进行简单连接的双绞线、同轴电缆等作为联系的纽带，把挂接在总线上作为网络节点的多个现场级测控仪表连接成网络，并按公开、规范的通信协议，使现场测控仪表之间及其与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成多种适应实际需要的控制系统，即所谓“网络化”；由于这些网上的节点都是具备智能的可通信产品，因而它所需要的控制信息（如实时测量数据）不采取向PLC或计算机存取的方式，而可直接从处于同等层上的另一个节点上获取，在现场总线控制系统（FCS）的环境下，借助其计算和通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统,提高了系统的自治性和可靠性。
在地源热泵空调自动化系统中，通过采用开放式网络，如现场总线、工业以太网（Ethernet）等，把TCP/IP引入系统现场，使Internet延伸到现场设备，利用Web技术实现水厂远程监控、调试、维护和故障诊断等功能，从而建成基于Internet的地源热泵空调自动化系统。
应用Web技术实现综合自动化功能，是信息时代的要求，也是当前地源热泵系统自动化网络发展的主要方向。
1.6.2控制系统管控一体化
控制系统管控一体化就是要建立一个对生产现场状态的监视和控制，同时还把现场信息和地源热泵空调系统管理信息结合起来的具有系统控制和企业管理功能的综合自动化系统。
一般地源热泵空调控制系统网络结构包括：
企业信息网络是管控信息集成的基本条件，没有信息网络就不可能实现企业横向和纵向信息的沟通和汇集，建网的目标在于实现全企业范围内的信息资源共享，以及与外部世界的信息沟通。
管控一体化解决方案中的企业管理层由各种服务器和客户机等组成，用于集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。
过程监控层由局域网段以及连接在局域网段的担任监控任务的工作站或控制器组成，现场总线网络通过现场总线接口与过程监控层相连，或者监控层直接由现场总线来担当；监控站可以完成对控制系统的组态，执行对控制系统的监控、报警、维护及人机交互等功能。
现场控制层由现场总线设备和控制网段构成，把传统的集散系统控制站（如PLC分站）的功能分散到了现场总线设备，此时的控制站实际是一个虚拟的控制站。
现场总线技术与产品所形成的底层网络，充分发挥其使测控设备具有通信能力的特点，为控制网络与通用数据网络的连接提供了方便。
企业信息网络是管控一体化的基础，现场总线则为构建管控一体化网络铺平了道路。
现场总线为开放式网络，可实现同类或不同类网络的互连以及网络数据库的共享，打破了传统控制系统的封闭性，使系统的开放性大大增强，既可实现地热空调系统控制网络与其它网的无缝连接，也可把Internet引入系统自动化，从而建成测控管一体化的综合自动化系统。
在这种需求下，基于IFIX软件和PLC构建的地源热泵空调系统应运而生。
1.7本文的主要研究内容
（1）在已建成的地源热泵实验装置上，开展地源热泵系统全年工况的运行特性实验，研究热泵机组运行参数变化、空调末端负荷变化和地下埋管换热器变化时地源热泵系统的运行特性；
（2）对地源热泵空调系统的自动化系统的构建，以及硬件选择和总体系统的设计有初步了解。
（3）通过对IFIX软件的应用学习掌握组态软件的基本常识和掌握基本的编程能力，能够具有一定的独立编制软件的能力。
第2章土壤源热泵监控系统的总体设计
2.1土壤源热泵的监控系统和控制方案的确定
2.1.1空调水监控系统
空调水监控系统是以IFix组态软件为核心的，通过对地下埋管的温度采集，地表压力、温度、功率、流量的监测，采用该变流量进行控制，达到预期的目的。
2.1.1.1监控系统的目的
对冷热源系统实施自动监控能够及时了解各机组、水泵、冷却塔等设备的运行状态，并对设备进行集中控制，自动控制它们的启停，并记录各自运行时间，便于维护。
如果，这些工作还是由人工来进行操作，那么工作起来会很不方便，而且当工作人员在工作上产生疏忽而忘记关闭设备时，将会造成能量的极大浪费和不安全因素。
通过对冷热源系统实施自动监控，可以从整体上整合空调系统，使之运行在最佳的状态。
多台冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔、热水机组、热水循环水泵或者其他不同的冷热源设备可以按先后有序地运行，通过执行最新的优化程序和预定时间程序，达到最大限度的节能，同时可以减少人手操作可能带来的误差，并将冷热源系统的运行操作简单化。
集中监视和报警能够及时发现设备的问题，进行预防性维修，以减少停机时间和设备的损耗，通过降低维修开支而使用户的设备增值。
2.1.1.2监控系统的功能
地热源热泵系统的监测与自动控制，其主要功能有如下三个方面：
（1）基本参数的测量。
包括：
各机组的运行、故障、手自动参数；冷却水、供热水循环系统总管的温度、流量，有的会同时考虑压力；冷冻水泵、热水循环水泵的运行、故障、手自动参数；冷却水循环系统总管的温度、冷却水泵和冷却塔风机的运行、故障、手自动参数；分集水器之间旁通阀的压差反馈；以及冷冻、冷却水路的电动阀门的开关状态。
参数的测量是使冷热源系统能够安全正常运行的基本保证。
（2）基本的能量调节。
主要是机组本身的能量调节，机组根据水温自动调节导叶的开度或滑阀位置，电机电流会随之改变。
（3）冷热源系统的全面调节与控制。
即根据测量参数和设定值，合理安排设备的开停顺序和适当地确定设备的运行台数，最终实现“无人机房”。
这是计算机系统发挥其可计算性的优势，通过合理的调节控制，节省运行能耗，产生经济效益的途径，也是计算机控制系统与常规仪表调节或手动调节的主要区别所在。
2.1.2控制方案的研究与确定
2.1.2.1压差变流量控制
压差变流量控制是利用变频器改变泵的流量,保持空调系统供回水干管两侧压差的稳定。
它是目前工程设计中应用最多的一种方案,从泵的运行特性出发,充分发挥水泵效率,采用这种控制方式的空调系统运行稳定。
图2-1是压差变流量控制流程图。
图2-1是压差变流量控制流程图。
基本原理:
设空调系统供、回水干管两端压力分别为P1和P0,HB为循环水泵的扬程,Q0为管网总流量,S1为冷源侧管网阻,S2为负荷侧管网阻抗,S为管网总阻抗,ΔH为压差设定值,维持ΔH′保持不变,ΔH′为实际供回水压差。
供、回水干管两端压差:
P1-P0=HB-S1Q20则有:
ΔH′=P1-P0=（S-S1）Q20=S2Q20
这种控制方式只考虑到系统的管网特性,没有考虑系统的热力特性,不能反映中央空调系统冷/热负荷的变化,也不能保证室内温湿度要求,节能效果不明显,而且这种控制方式对循环泵的要求很高,循环泵的性能曲线应比较陡峭,否则节能效果不明显。
对于土壤源热泵空调系统,外循环管网阻抗变化不大,很难实现对外循环泵的压差变流量控制。
因为随着水温度的上升或降低,系统的压力也会随着增大或减小,这使得控制变得扑朔迷离。
找到一个符合系统管网特性的ΔH设定值就比较困难。
2.1.2.2温差变流量控制
温差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供、回水温差稳定。
从空调系统热力特性出发,能够保证室内温/湿度要求,能够反映中央空调系统冷/热负荷的变化,供、回水温差可达到4.5℃以上,节能效果明显,能够实现对内、外循环泵变流量控制,适用于土壤源热泵变流量控制。
图2-2是温差变流量控制流程图。
图2-2是温差变流量控制流程图。
基本原理：
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