CN102288638A - 一种基于plc的地源热泵热响应测试系统 - Google Patents

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林昕
徐智
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Abstract

本发明公开了一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统，通过系统中的PLC可编程控制器和WinCC人机界面实现了对地源热泵响应测试系统直观操作和实时监控。本发明解决的技术问题是对地源热泵的测试与实验过程进行实时远程监控，本发明公开的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，不仅可以应用于工程实际测量，还可以对土壤热物性参数进行研究，测试仪引入了PLC可编程控制器和WinCC模块实现了对测量和实验状态的远程监控。测试仪的结构紧凑，测试深度范围广，可视化程度高，操作方便，使用安全，测试精度高。

Description

一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统
 
技术领域
本发明涉及一种土壤热物性测试系统，特别是一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统。
 
背景技术
地源热泵技术是指利用存在于地下岩层中可再生的地表热能，如土壤、地下水、地表水或污水等热源中的低品位热能，实现冬季采暖，夏季空调以及全年热水供应的节能新技术。由于其很大限度的减少了常规能源的消耗，运行费用低，无污染等优点，正在我国广泛应用。而土壤导热系数是设计地源热泵比较重要的参数，对地源热泵系统的性能和经济性影响很大，如果土壤的导热系数不准确，设计的系统可能满足不了负荷的要求，也可能规模过大，从而增加了不必要的初投资。
地源热泵系统是以大地为冷源或者热源，通过中间介质为热载体，并使中间介质在埋于土壤中的封闭环路中循环流动，实现中间介质与土壤的热量交换，进而通过热泵实现对建筑物的降温或者供暖。与空气源热泵相比，土壤热泵具有机组性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、系统简单、运行费用低等的优点，被称为21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色空调技术。地源热泵系统在欧美等许多国家的研究和应用已经有数十年的历史了，近年来在中国也受到了广泛的关注并得到了实际应用。土壤源热泵系统中地埋管换热器的数量和性能对整体性能有决定性的影响，而土壤热物性是埋地管换热器性能设计中的关键参数，因而如何建立一种既准确又适合于工程实际应用的快速测量地下岩土热物性参数以及换热器有效换热系数的方法，成为目前地源热泵推广和应用中的关键技术和核心问题。
在现有的基于地源热泵的土壤热物性测试仪技术中，申请号为200810201626.3的地源热泵用高精度土壤热物性测试仪的发明专利，公开了在地源热泵土壤热物性测试仪中使用可编程控制器和液晶显示面板等技术手段来提高测试仪的可操作性和直观性。但是该专利公开的技术无法实现对测试仪实时状态进行有效的监控。
 
发明内容
本发明公开了一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统，通过系统中的PLC可编程控制器和WinCC人机界面实现了对地源热泵响应测试系统直观操作和实时监控。
本发明公开的一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统，所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统包括电源、水位传感器、可调功率的电加热补水箱、循环水泵、流量计、埋地管换热器、温度传感器和压力计，地埋管换热器的两端分别与循环水泵和流量计相连，并分别再温度传感器，并串接压力计，最后与可调功率的电加热补水箱相连接构成一个测试回路，所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统还包括数据采集控制和分析系统，所述的数据采集控制和分析系统包括可编程控制器PLC、WinCC人机界面、MATLAB分析软件，由PLC分别采集温度传感器和压力计的参数值，并通过以太网送至WinCC人机界面；在WinCC人机界面上，控制电加热器按设定功率加热、循环水泵按设定频率运行，并实时显示系统的状态和参数值，WinCC人机界面长时间存储参数值；并将存储的数据传输至MATLAB分析软件进行计算，得出土壤导热系数K。
可编程控制器PLC主机I/O端口的输入端口用于采集开关量故障输入信号，输出端口用于控制水泵的启停、电加热器的启停和控制加热器的输出功率；标准以太网通讯口与上位机WinCC通讯连接；在可编程控制器PLC主机上扩展了一台模拟量模块，所述的模拟量模块具有4路A/D功能和1路D/A功能，A/D用于采集地埋管进口水温、出口水温和管内水压值，D/A用于控制循环水泵的变频器输出频率。
所述的数据采集和控制系统的WinCC人机界面，通过标准以太网通讯口与可编程控制器PLC相连接，实时显示并存储可编程控制器PLC所采集的信息；同时，将用户在人机界面上的操作传送给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC按上位机的命令进行相应工作。
所述的数据分析系统根据测得的72h~96h的进出口温度及加热功率等数据，利用MATLAB软件分析并计算出土壤的导热系数。
本发明公开的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，不仅可以应用于工程实际测量，还可以用来土壤热物性参数进行研究，测试仪引入了PLC可编程控制器和WinCC模块实现了对测量和实验状态的远程监控，测试仪的结构紧凑，测试功率范围广，可视化程度高，操作方便，使用安全，测试精度高。
 
说明书附图
图1、本发明公开的基于PLC的地源热泵热响应测试系统的结构示意图。
附图标记列表：
1、循环水泵；           2、温度传感器；            3、压力计；
4、流量计；             5、埋地管换热器；          6、补水管。
 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明公开的一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统，所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统包括电源、水位传感器、可调功率的电加热补水箱、循环水泵1、流量计4、埋地管换热器5、温度传感器2和压力计3，地埋管换热器5的两端分别与循环水泵1和流量计4相连，并分别再温度传感器2，并串接压力计3，最后与可调功率的电加热补水箱相连接构成一个测试回路，所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统还包括数据采集控制和分析系统，所述的数据采集控制和分析系统包括可编程控制器PLC、WinCC人机界面、MATLAB分析软件，由PLC分别采集温度传感器2和压力计3的参数值，并通过以太网送至WinCC人机界面；在WinCC人机界面上，控制电加热器按设定功率加热、循环水泵按设定频率运行，并实时显示系统的状态和参数值，WinCC人机界面长时间存储参数值；并将存储的数据传输至MATLAB分析软件进行计算，得出土壤导热系数K。
可编程控制器PLC主机I/O端口的输入端口用于采集开关量故障输入信号，输出端口用于控制水泵的启停、电加热器的启停和控制加热器的输出功率；标准以太网通讯口与上位机WinCC通讯连接；在可编程控制器PLC主机上扩展了一台模拟量模块，所述的模拟量模块具有4路A/D功能和1路D/A功能，A/D用于采集地埋管进口水温、出口水温和管内水压值，D/A用于控制循环水泵的变频器输出频率。
所述的数据采集和控制系统的WinCC人机界面，通过标准以太网通讯口与PLC相连接，实时显示并存储PLC所采集的信息；同时，将用户在人机界面上的操作传送给PLC，PLC按上位机的命令进行相应工作。
所述的数据分析系统根据测得的72h~96h的进出口温度及加热功率等数据，利用MATLAB软件分析并计算出土壤的导热系数。
所述的MATLAB分析软件采用无限长线热源模型执行程序。
根据热学理论，土壤导热系数K：
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE001
            (1)
Figure 811653DEST_PATH_IMAGE002
                                 (2)
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE003
                                  (3)
Figure 778341DEST_PATH_IMAGE004
                                  (4)
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE005
                                           (5)
Figure 173550DEST_PATH_IMAGE006
                                      (6)
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE007
―钻孔直径，m                  
K―周围土壤的导热系数, 
Figure 925605DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE009
―周围土壤的密度，Kg /m3
cs―周围土壤的定压比热, 
Figure 439413DEST_PATH_IMAGE010
cp―管内流体的定压比热，
Figure 706446DEST_PATH_IMAGE010
Q―换热量，即加热泵的加热功率，       W
q―钻孔单位长度平均换热率，W/m 
c―欧拉常数，数值为0.57726
S―测试时间，s 
ts―土壤的初始温度，℃
m―埋管内水质量流量，Kg/s 
H―钻孔深度，m 
Figure 2011101887324100002DEST_PATH_IMAGE011
―埋管内水的进出口温度和平均温度，℃
Rb―埋管内水到孔壁之间的热阻，℃/W 
根据公式(1)可知地埋热管平均温度tf与土壤导热系数K成线性关系，即tf=Kx+b，因此我们可以利用最小二乘法得到拟合曲线，最小二乘法的原理是根据实验数据画出一条直线，使得这一条直线到所有点的距离的平方和为最小，那么这条直线的方程就可以最佳的反应这组实验数据的线性关系。首先将WinCC保存的采集到的温度数据导入到MATLAB中，然后以时间对数作为横坐标，平均温度tf作为纵坐标得到k，再利用公式(2)计算得到土壤导热系数K。
在启动测试仪之前，将埋地管换热器5连接到测试仪上，并且埋地管换热器5和测试仪循环水测试回路组成一个闭合水路，埋地管换热器5的进水端和出水端管路上分别装有循环水泵1和流量计4，同时埋地管换热器5的进水端和出水端管路上，在循环水泵1、流量计4与埋地管换热器5之间都分别装有温度传感器2和压力计3，而电加热补水箱的补水管6连接在埋地管换热器5的出水端管路的靠近电加热补水箱一端。被过滤后的循环水进入电加热补水箱被恒定功率加热后，在循环水泵1的作用下流经温度传感器2和压力计3，进入地埋管换热器换热5。由地埋管换热器5换热后出来的循环水，经过出水管路压力计3、温度传感器2和流量计4后重新返回补水加热箱，补水管6在电加热补水箱中液位计的控制下，对水箱中的循环水进行实时补充。
启动测试仪后，首先只启动水泵，让系统在电加热器无输出的情况下运行，时间持续24h，根据WinCC界面上的数据可测得地下土壤的初始温度。
然后根据当前要测试的地埋井的深度，计算出将要加热的恒定功率，并在WinCC监控界面上输入要加热的恒定功率值，控制系统自动启动可变频率的电加热器并以给定的恒定功率值输出；启动水泵，并使系统根据给定流速控制变频器的输出，使水泵运行达到水流的恒定流速状态。测试仪在PLC可编程控制器和WinCC监控模块的控制下可以进行长时间的数据采集和测试工作，并存储测得的72h~96h的进出口温度及加热功率等数据，采用上述方法，利用MATLAB软件分析并计算出土壤的导热系数。
本发明公开的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，不仅可以应用于工程实际测量，还可以用来土壤热物性参数进行研究，测试仪引入了PLC可编程控制器和WinCC模块实现了对测量和实验状态的远程监控，测试仪的结构紧凑，测试功率范围广，可视化程度高，操作方便，使用安全，测试精度高。

Claims (4)

1.一种基于PLC的地源热泵热响应测试系统，该系统包括电源、数据采集控制分析系统、可调功率的电加热水箱、循环水泵（1）、流量计（4）、地埋管换热器（7）、回水侧温度传感器（5）、回水侧压力传感器（6）、进水侧温度传感器（2）、进水侧压力传感器（3）和补水管（8），地埋管换热器（7）的回水侧一端通过循环水泵（1）与电加热水箱相连，地埋管换热器（7）的进水侧一端通过流量计（4）与电加热水箱相连，地埋管换热器（7）回水侧与循环水泵（1）之间安装有回水侧温度传感器（5）和回水侧压力计（6），地埋管换热器（7）进水侧与流量计（4）之间安装有进水侧温度传感器（2）和进水侧压力计（3），其特征在于：所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统还包括数据采集控制和分析系统，所述的数据采集控制和分析系统包括可编程控制器PLC、WinCC人机界面、MATLAB分析软件，由PLC分别采集温度传感器（2）和压力计（3）的参数值，并通过以太网送至远程的WinCC人机界面。
2.根据权利要求1所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，其特征在于：可编程控制器PLC主机I/O端口的输入端口用于采集开关量故障输入信号，输出端口用于控制循环水泵（1）的启停、电加热水箱中电加热器的启停和控制加热器的输出功率；标准以太网通讯口与上位机WinCC通讯连接；在可编程控制器PLC主机上扩展了模拟量模块，所述的模拟量模块具有4路A/D功能和1路D/A功能，A/D用于通过压力传感器和温度传感器采集地埋管换热器（7）的进水侧水温、回水侧水温以及进水侧和回水侧的管内水压值，D/A用于控制循环水泵（1）的变频器输出频率。
3.根据权利要求1所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，其特征在于：所述的数据采集和控制系统的WinCC人机界面，通过标准以太网通讯口与可编程控制器PLC相连接，实时显示并存储可编程控制器PLC所采集的信息。
4.根据权利要求1所述的基于PLC的地源热泵热响应测试系统，其特征在于：所述的数据分析系统根据测得的72h~96h的进出口温度及加热功率等数据，利用MATLAB软件分析并计算出土壤的导热系数。
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