学生宿舍空气源热泵热水系统的智能控制设计

引言

与燃煤、燃气、太阳能等传统的热水系统相比,空气源热泵热水系统不受燃料供应因素影响,受夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气的影响也较小:空气源热泵热水系统可实现一年四季、全天24h安全运行:传统的热水系统制热效率均小于1,而空气源热泵热水系统制热效率可达到3～5。王宇对应用于寒冷地区、夏热冬冷及夏热冬暖地区的空气源热泵进行了性能测试和运行情况评价,认为空气源热泵在夏热冬暖地区最具适用性。

空气源热泵现已成为夏热冬暖地区酒店、公寓、学生宿舍等普遍采用的加热设备,单台空气源热泵有嵌入式的控制系统,可以智能运行,比如设定出水温度、加热时间等,但学生宿舍人数较多,需要多台机联机运行,因此多台空气源热泵的热水系统智能控制是需要研究的课题。

1热水系统设备

某学生宿舍热水系统采用空气源热泵供应热水,按每人每天60L热水需求设计。项目主要设备有:保温水箱1个:空气源热泵8台:回水电动电磁阀3台:进冷水（补水）电动阀1台:热泵循环加热泵2台（一备一用）:加压供水泵2台（一备一用）:定时供水电动阀1台。设备布置图如图1所示。通常酒店的热水系统设置两个水箱,一个水箱用于循环加热,另一个水箱用于供应热水:而学生使用热水时间很集中且用水量大,因此学生宿舍热水系统一般设置一个水箱,在非供应热水时间将水箱中的水加热。

2控制系统总体设计

热水控制系统由管理软件、组态软件、PLC（也可使用单片机）、热水表、传感器、继电器、接触器等组成。控制系统总图如图2所示,配电系统图如图3所示,部分控制回路如图4所示。

管理软件包括用户信息管理模块、热水使用信息管理模块、缴费管理模块等,主要功能有用户注册和注销,存储和查询热水使用记录,存储和查询缴费记录等。每间宿舍装有智能热水表,热水表与管理软件通信,学生将感应式热水卡放在热水表上,即可使用热水。管理系统接收热水使用数据和扣费数据。热水管理软件和热水表已经有较成熟的通用产品。

热水系统的智能运行主要由组态软件和PLC来实现。组态软件的主要功能有:可以与PLC通信,读写PLC的各种信号,对接收的数据进行逻辑运算和数字运算等处理,将运算结果传回PLC,通过PLC控制现场设备的运行:可以将PLC传回的实时信息和经组态软件处理过的信息传给热水管理系统,也可以接收热水管理系统的管理数据,根据数据信息控制现场设备的运行:组态软件可以用动画、图表等形式呈现热水设备的运行状况,可以将热水系统的紧急工况（如报警等）通过软件界面、短信通知管理员,使管理人员可以及时处理相关问题:可以存储运行数据、故障数据、管理人参数更改记录等。

3单台空气源热泵的智能控制

空气源热泵设置有控制系统,热泵的进水管路没水时自动停机,进入缺水保护状态:当监控到环境温度和热泵交换器温度达到某一阈值时,热泵可自动除霜:可以设定热泵工作运行时间:可以设定目标水温,即水箱中的水需要达到的温度。在有多台热泵的热水系统中,每台热泵都连接水箱中的温度传感器,对温度传感器采集的温度与热泵中设定的目标温度进行比较:如果小于目标温度,则发送信号驱动热泵循环泵,水箱中的水流入热泵加热,如果等于目标温度,则不发送信号,热泵循环泵不运行。单台热泵智能控制原理图如图5所示。

4热水系统的智能控制

学校采用定时供应热水的方式,每天20:00—23:00供应热水。学生宿舍人数多,使用热水时间集中,因此在热水供应时间之前,水箱已经按估计的用水量加好水,在热水供应过程中,水箱不补冷水。

（1）水箱补水。在组态软件中设置非供水时间的水箱水位。水箱中装有水位传感器,水位信号经PLC传给组态软件。当水箱水位小于设定值时,组态软件发出指令,驱动补水电动阀工作,水箱补水:当水箱水位等于设定水位时,补水电动阀停止工作。

（2）热水循环加热。水箱中设有多个温度传感器,每台热泵与温度传感器连接,在热泵控制系统中设置目标水温（即供应热水的水温）,当水箱中的水温低于目标温度时,热泵发送信号驱动循环泵工作,水箱中的水进入热泵继续加热,当水箱中的水温等于目标温度时,循环泵停止工作,热泵停止工作,进入缺水保护状态。

（3）热水供应。在组态软件中设定供水时间,有权限的管理人员可随时更改供水时间。水箱设有温度传感器,温度信号经PLC传给组态软件,并在组态软件中显示。到设定的热水供应开始时间,组态软件发送指令,热水供应电动阀启动,开始供应热水。在热水供应电动阀前设有压力传感器和增压泵,增压泵可接收压力传感器信号,当供水压力低于设定值时,增压泵启动。

（4）回水。共设有3条回水管道,回水管上设置回水电磁阀和温度传感器,回水管温度信号经PLC传给组态软件。当回水管道温度低于设定值时,组态软件发出指令,回水电磁阀启动,回水管中的热水进入水箱,供水阀启动,水箱中的热水进入热水供应管道:当回水管中的水温等于设定值时,回水电磁阀关闭。

5热水用量预测

学生宿舍使用热水的时间很集中,为保证学生热水供应,通常白天热泵运行,在供应热水时间到来之前已经把水加热好。水箱有效容积即热水供应量,是按规划入住学生数的最大用水量设计的(按规范,每人每天的热水用量为40～80L,某学生宿舍按每人每天60L设计）。热泵设备的数量按每天的最大制热需求配置。但不同的学生群体在不同的季节、不同的气温时热水用量差异较大。

李娜研究了某高校学生热水使用情况,在冬季男生和女生每人日平均用水量分别为27.2L和30.64L,男生宿舍楼的每人最高日用水量为28.6L,女生宿舍楼的每人最高日用水量为36.2L:周晋研究了某高校的热水用量情况,发现男、女生的日用水次数和每次用水量存在较大差异。

根据某校后勤管理部门提供的数据,男生宿舍、女生宿舍及男女混住宿舍(男女生住在不同的楼层）在不同的季节和气温时,热水用量差异较大。如果按每人每天60L制热,会造成较大的浪费,可以根据历年热水用户数据和历年气温数据,训练BP神经网络:以某栋楼的男生数量、女生数量及天气预报预测的第二天气温作为神经网络输入,预测某栋楼第二天的热水用量,热水用量预测系统图如图6所示。预测的热水用量存于管理软件数据库中,组态软件读取数据并传给PLC,进冷水电动阀启动,向水箱加水,当水箱水量(根据水箱水位传感器数据换算）达到预测用水量时,进冷水电动阀关闭。基于以上原理,编写热水用量预测模块,并申请了软件著作权(软著登记号:软著登字第6695054号）。

6结语

热水系统是学生宿舍的重要设备,智能控制系统能够实现热水系统的自动运行,可通过组态软件动画了解系统的实时运行情况,及时发现设备故障。热水供应既要满足学生的热水需求,又要考虑节能,故对于热水用量的预测还需进一步深入研究。