CN105659040A - 地源热泵集成控制器及其实现方法 - Google Patents

地源热泵集成控制器及其实现方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种地源热泵集成控制器及其实现方法。地源热泵集成控制器包括预先根据主模块(101)额定负荷集成多台主机(A，B)、水泵及阀门的主模块(101)和预先根据扩展模块(103)额定负荷集成多台主机(H)、水泵及阀门的扩展模块(103)。主模块(101)和扩展模块(103)均设置有多个模拟量接点和数字量接点；根据地源热泵系统的负荷将多个所述扩展模块(103)通过模拟量接点和数字量接点与主模块(101)连接。根据建筑面积核算出系统负荷后，将多台扩展模块(103)与一台主模块(101)进行连接，增加了主模块(101)的容量，从而满足系统的负荷。该地源热泵控制器直接将预先集成后的主模块(101)与预先集成后的扩展模块(103)连接，灵活性强，而且扩展性强。

Description

地源热泵集成控制器及其实现方法 技术领域
本发明涉及地源热泵领域，尤其涉及地源热泵集成控制器及其实现方法。
背景技术
地源热泵是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能，采用热泵原理，既可供热又可制冷的空调系统。地源热泵系统通过输入少量的高品位能源(电能)，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。地源热泵运行过程中，地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。
传统的地源热泵系统的负荷是根据建筑的面积来核算的。由建筑面积核算出系统的负荷后，根据该负荷配置满足该系统负荷的多台主机、多台水泵和阀门，然后将这些主机、水泵及阀门通过模拟量接点及数字量接点连接到可编程控制器上进行集中控制。
然而，对于每一个地源热泵系统来说，核算出系统负荷后，需要对可编程控制器进行编程且可扩展性不强，通讯口种类少，不灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种地源热泵集成控制器及其实现方法,它无需对其进行额外的编程，灵活性及扩展性强。
本发明的技术方案是：
一种地源热泵集成控制器，包括预先根据主模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的主模块和预先根据扩展模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的扩展模块；所述主模块和扩展模块均设置有多个模拟量接点和数字量接点；根据地源热泵系统的负荷将多个所述扩展模块通过模拟量接点和数字量接点与主模块连接。
所述的主模块设有主板；所述主板与主模块通讯口连接；且主模块通讯口与扩展模块通讯口连接。
所述的主模块还设置有存储器；存储器与主板连接，用于存储该地源热泵集成控制器的运行数据。
所述的主模块通讯口与人机交互设备连接。所述的人机交互设备功能包括：显示系 统图参数界面、显示详细数据监测界面、显示数据曲线、参数修改、显示能耗分析及显示工况策略。
所述主模块还设置有无线通讯模块；所述无线通讯模块与所述主板连接。
所述的主模块可监控主机、空调水泵(变频)、地源水泵、开关阀、电动比例调节阀、传感器。
主模块可集成监控两台主机、3台空调水泵、3台地源水泵。若现场有两台以上主机，每增加一台主机、空调水泵以及地源热泵，可通过增加一台扩展模块来实现监控。
附图说明
图1为本发明地源热泵集成控制器系统方框图。
图2为本发明地源热泵集成控制器中主模块结构示意图。
图3为本发明地源热泵集成控制器中主模块结构(带有扩展模块)示意图。
图4为本发明地源热泵集成控制器实现方法流程图之一。
图5为本发明地源热泵集成控制器实现方法流程图之二。
图6为本发明地源热泵集成控制器实现方法流程图之三。
附图标号：
主模块101；扩展模块通讯口102；扩展模块103；人机交互设备104；主模块通讯口105；存储器106；主板107；无线通讯模块108；
用户侧201；地源侧202；用户侧循环泵组C；地源侧循环泵组D；
主机A；冷冻水入口A1、冷冻水出口A2；冷却水入口A3、冷却水出口A4；
主机B；冷冻水入口B1、冷冻水出口B2、冷却水入口B3、冷却水出口B4；
电动阀YM1、YM2、YM3、YM4；电动比例调节阀E；蝶阀1、2、3、4、5、6、7、8；
压力表P1、P2、P3、P4；温度传感器T1、T2、T3、T4、T5；
扩展主机H；扩展电动阀YM5、YM6；冷却水出口H4；冷冻水出口H2。
实施本发明的最佳方式
实施例1：
如图1-3所示，为本实施例提供的一种地源热泵集成控制器，包括预先根据主模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的主模块101和预先根据扩展模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的扩展模块103；所述主模块101和扩展模块103均设置有多个模拟量接点和数字量接点；根据地源热泵系统的负荷将多个所述扩展模块103通过模拟量 接点和数字量接点与主模块101连接。
该地源热泵集成控制器包括主模块101和扩展模块103。其中主模块101集成有控制多台主机、水泵及阀门的模拟量点和数字量点，同时扩展模块103集成有多台主机、水泵及阀门的模拟量点和数字量点。根据建筑面积核算出系统负荷后，将多台扩展模块与一台主模块进行连接，增加了主模块的容量，从而满足系统的负荷。该地源热泵控制器直接将预先集成后的主模块与预先集成后的扩展模块连接，无需对其进行额外的编程。
该地源热泵集成控制器在运行过程中，扩展模块受主模块的控制，其中主模块内预设有运行程序。当多台扩展模块集成在主模块上时，只需调整主模块内的运行参数，扩展模块即可受到主模块的控制，无需现有技术中将多台设备配置成地源热泵系统后再对运行程序进行重新编程，即该地源热泵集成控制器控制简单，使用方便。
其中，主模块101包括主机A、主机B、电动阀YM1、YM2、YM3、YM4、蝶阀1、2、3、4、5、6、7、8、用户侧循环泵组C和地源侧循环泵组D；
主机A上设置有冷却水出口A4、冷却水入口A3、冷冻水出口A2和冷冻水入口A1；冷却水出口A4通过电动阀YM1及蝶阀1与用户侧循环泵组C连接；且冷却水出口A4通过电动阀YM1及蝶阀8与地源侧循环泵组D连接；冷却水入口A3通过蝶阀5与地源侧的供水管连接；且冷却水入口A3通过蝶阀4与用户侧201的供水管连接；冷冻水出口A2通过电动阀YM2及蝶阀6与地源侧202的供水管连接且冷冻水出口A2通过电动阀YM2及蝶阀3与用户侧201的供水管连接；冷冻水入口A1通过蝶阀7与地源侧循环泵组D连接且冷冻水入口A1通过蝶阀2与用户侧循环泵组C连接；
主机B上设置有冷却水出口B4、冷却水入口B3、冷冻水出口B2和冷冻水入口B1；所述冷却水出口B4通过电动阀YM3及蝶阀1与所述用户侧循环泵组C连接；且所述冷却水出口B4通过电动阀YM3及蝶阀8与所述地源侧循环泵组D连接；所述冷却水入口B3通过蝶阀5与地源侧202的供水管连接且所述冷却水入口B3通过蝶阀4与用户侧201的供水管连接；所述冷冻水出口B2通过电动阀YM4及蝶阀6与地源侧202的供水管连接；且所述冷冻水出口B2通过电动阀YM4及蝶阀3与用户侧201的供水管连接；所述冷冻水入口B1通过蝶阀7与所述地源侧循环泵组D连接；且所述冷冻水入口B1通过蝶阀2与所述用户侧循环泵组C连接；
用户侧循环泵组C与用户侧201的回水管连接；所述地源侧循环泵组D与地源侧202的回水管连接。
主模块101在运行时，对于主机A的启动流程如下：
首先，主模块101先启动电动阀YM1和电动阀YM2；在电动阀YM1和电动阀YM2开到位后，主模块101开始计时，当计时时间达到预定时间后，主模块101控制地源侧循环泵组D中的一台地源侧循环泵启动；当地源侧循环泵运行一段时间后，主模块101控制用户侧循环泵组C中的一台用户侧循环泵启动，最后控制主机A启动。这种轮流启动方式，可以降低设备在启动时的电网压力，避免多台设备同时启动对电网压力过大。
当主模块101停止时，首先，主模块101控制主机A停止，然后主模块101开始计时，当用户侧循环泵计时满足一定时间后，主模块101控制用户侧循环泵停止运行，当地源侧循环泵计时满足一定时间后，主模块101控制地源侧循环泵停止运行，最后电动阀YM1和电动阀YM2停止运行。当然，主机B的启停流程与主机A的启停流程相同。另外，主模块101在启停过程中，主机与地源侧循环泵的运行数量应该保持一致，避免数量不一致时导致主机与地源侧具有较大的压力差，导致能源的浪费以及降低主机轮换的效率。
更优选地，在主模块101运行过程中，运行时间最短的设备先启动，运行时间最长的设备先停止。这样可以使得主模块中的各个设备的运行时间均匀，磨损均匀，延长主模块的使用寿命，避免个别设备运行时间过长，导致该设备损坏。
用户侧循环泵组C设有三台循环泵，其中两台为常用泵，第三台泵为备用泵。当三台泵在进行切换时，可以由继电器进行控制。
用户侧循环泵组C为变频控制，为了实现其变频控制的过程，主模块101还包括比例调节阀E、压力表P1、P2；所述比例调节阀E的两端分别连接用户侧201的回水管与供水管；所述压力表P1设置在用户侧201的供水管；所述压力表P2设置在用户侧201的回水管。具体地，用户侧循环泵组C在运行时，压力表P1与压力表P2之间的压力差应该保持稳定，当用户侧201的负荷较低时，可以降低用户侧循环泵的频率，使压力表P1与压力表P2的压力差保持不变；当用户侧循环泵的频率达到最低频率时，应该增大比例调节阀E的开度，从而使得压力表P1与压力表P2的压力差保持不变；当然，用户侧201的供水管道内的水经比例调节阀E进入到用户侧201的回水管中，减少能量在输送至用户侧201的长距离过程中的损耗，进而起到节能环保的作用。
进一步，主模块101还包括压力表P3、P4和五个温度传感器；所述压力表P3和所述压力表P4分别设置在所述地源侧202的供水管和回水管上；所述温度传感器T1位于用户侧201的供水管上；温度传感器T4位于地源侧202的供水管上；温度传感器T5位 于地源侧202的回水管上；所述温度传感器T2、T3设置在所述用户侧201的回水管上且分别位于所述比例调节阀E与该回水管的连接部的两侧。具体地，压力表P3、压力表P4分别用于检测地源侧202的回水管的回水压力和供水管的供水压力。当检测到地源侧202供水压力和回水压力异常时，主模块101将控制相应的设备启动或停止，确保主模块101的稳定运行。另外，温度传感器T3用于检测回水管上在比例调节阀E之前的水温；温度传感器T2用于检测回水管上在比例调节阀E之后的水温。
所述的扩展模块103，包括一台扩展主机H、扩展电动阀YM5、YM6、用户侧扩展循环泵、地源侧扩展循环泵；扩展电动阀YM5、YM6分别设置在扩展主机H的冷却水出口H4和冷冻水出口H2；用户侧扩展循环泵并联在用户侧循环泵组C上；地源侧扩展循环泵并联在地源侧循环泵组D上。具体地，当主模块101无法承载实际负荷时，主模块101会控制扩展模块103中的扩展主机、扩展电动阀及扩展循环泵启动，增加主模块101的功率，使主模块101稳定运行。
其中，主模块101设置有多个主模块通讯口105；扩展模块103设置有多个扩展模块通讯口102；每一个扩展模块通讯口102分别与一个主模块通讯口105连接。其中，该主模块通讯口105可以为触摸屏通讯口、TCP/IP网络通讯口、RS485通讯口、手机无线上网通讯口、SD存储卡通讯口和与扩展模块通讯口102配合的任意的通讯口。
进一步，该地源热泵集成控制器还包括人机交互设备104；所述的人机交互设备104与其中一个主模块通讯口105连接。所述的人机交互设备104功能包括：显示系统图参数界面、显示详细数据监测界面、显示数据曲线、参数修改、显示能耗分析及显示工况策略。其中，显示系统图参数界面是人机交互设备的基本功能，用户可以根据系统图上的各设备如主机、水泵、阀门的运行状态和温度、压力等各参数来判断系统运行的情况。传统的系统图界面采用平面贴图的方式展现，这种系统图不直观也不美观，而本实施例的系统图采用3D立体图来展示系统的运行情况，提高该系统的竞争力。
另外，该地源热泵集成控制器还具有冬夏季室外温度切断功能及冬季防冻保护功能。当夏天室外温度低于室内温度时，可以将该系统自动切断，节省能耗。而当冬天室外温度高于室内温度时，可以将该系统自动切断，从而节省能耗。
另外，主模块101设置有主板107；每一个所述主模块通讯口105分别与所述主板107连接。即主模块101内的主板107通过主模块通讯口105与扩展模块103进行通讯，实现主板107对主模块101及扩展模块103的控制。该主板107可以由24V直流电源输入，功耗为12VA。另外，该主板107的数字量端口采用干触点，外部信号使用中间继电 器隔离，额定电流为1A。该主板107的模拟量接口分别连接温度传感器、压力传感器；该模拟量接口选用可拔插式接头端子。
进一步，该主模块101还设置有存储器106；存储器106与主板107连接，用于存储该地源热泵集成控制器的运行数据。其中，该存储器106可以为SD存储卡，SD存储卡用于存储整个系统的运行数据，方便用户通过触摸屏查询历史数据，减少使用网络查看历史数据所消耗的网络流量，降低运行费用。
进一步，主模块101还包括无线通讯模块108；无线通讯模块108与主板107连接。即该地源热泵集成控制器可以通过无线通讯模块与无线网络连接，便于该地源热泵集成控制器在没有有线网络的地方使用无线网络传输数据。
如图4-6所示，本发明地源热泵集成控制器的实现方法，该方法步骤包括：
地源热泵集成控制器上电后，通过人机交互设备104设置地源热泵集成控制器为自动模式，设置定时启停，设置冬夏季模式；
所述的定时启停，按周计算，每天设四个时间段，每个时间段设置系统启动或停止；
首先，地源热泵集成控制器运行主程序，如图4所示：
当前时间允许启动主机：用户侧201回水温度满足启动主机条件，用户侧201回水温度为温度传感器T3所检测温度；在夏季时，当用户侧回水温度高于设定温度，即满足启动主机条件；在冬季，当用户侧回水温度低于设定温度时，即满足启动主机条件；若当前时间不允许启动，则调用主机停止程序；
正在运行设备是否有故障：若设备无故障，当前有可启动的设备，可启动设备是指主机A和主机B至少有一台处于停止状态且能够正常启动、用户侧循环泵组C至少有一台处于停止状态且能够正常启动，地源侧循环泵组D至少有一台处于停止状态且能够正常启动；则调用主机启动程序，主程序结束；若设备有故障，设备会反馈一个数字量的信号；若有备用设备，则启动备用设备；没有备用设备，则调用主机停止程序。
主机启动程序，如图5所示：
首先，通过比较主机A和主机B的运行时间选出运行时间最短的主机，启动此台主机对应的电动阀；主机A对应电动阀为电动阀YM1、YM2；主机B对应电动阀为电动阀YM3、YM4；
电动阀开到位后，当电动阀YM1、YM2、YM3、YM4完全打开后，会反馈一个开到位的数字量信号；通过比较用户侧循环泵组C的运行时间，选出运行时间最短的用户侧循环泵，启动运行时间最短的用户侧循环泵，用户侧循环泵启动后，启动运行时间最短的 主机，主机启动后，主机启动程序结束。
主机停止程序，如图6所示：
通过比较主机A和主机B的运行时间选出运行时间最长的主机，停止运行时间最长的主机；然后通过比较用户侧循环泵组C的运行时间；选出运行时间最长的用户侧循环泵，停止运行时间最长的地源侧循环泵；若用户侧循环泵运行数量大于1台，或当前时间不允许启动主机，则停止运行时间最长的用户侧循环泵；然后停止主机对应电动阀；主机对应电动阀关到位后，主机停止程序结束；若用户侧循环泵运行数量为1台，且当前时间允许启动主机，则直接跳转到主机停止程序结束。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
工业应用性
本发明包括主模块和扩展模块，其中主模块集成有控制多台主机、水泵及阀门的模拟量点和数字量点，同时扩展模块集成有多台主机、水泵及阀门的模拟量点和数字量点。根据建筑面积核算出系统负荷后，将多台扩展模块与一台主模块进行连接，增加了主模块的容量，从而满足系统的负荷。该地源热泵控制器直接将预先集成后的主模块与预先集成后的扩展模块连接，无需对其进行额外的编程，灵活性强，而且扩展性强。本发明还具有冬夏季室外温度切断功能及冬季防冻保护功能。当夏天室外温度低于室内温度时，可以将该系统自动切断，节省能耗。而当冬天室外温度高于室内温度时，可以将该系统自动切断，从而节省能耗。

Claims (10)

  1. 一种地源热泵集成控制器，其特征在于：它包括预先根据主模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的主模块和预先根据扩展模块额定负荷集成多台主机、水泵及阀门的扩展模块；所述主模块和扩展模块均设置有多个模拟量接点和数字量接点；根据地源热泵系统的负荷将多个所述扩展模块通过模拟量接点和数字量接点与主模块连接。
  2. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块包括主机A、主机B、电动阀YM1、YM2、YM3、YM4、蝶阀1、2、3、4、5、6、7、8、用户侧循环泵组C和地源侧循环泵组D；其中
    所述的主机A上设置有冷却水出口A4、冷却水入口A3、冷冻水出口A2和冷冻水入口A1；冷却水出口A4通过电动阀YM1及蝶阀1与用户侧循环泵组C连接；且冷却水出口A4通过电动阀YM1及蝶阀8与地源侧循环泵组D连接；冷却水入口A3通过蝶阀5与地源侧的供水管连接；且冷却水入口A3通过蝶阀4与用户侧的供水管连接；冷冻水出口A2通过电动阀YM2及蝶阀6与地源侧的供水管连接且冷冻水出口A2通过电动阀YM2及蝶阀3与用户侧的供水管连接；冷冻水入口A1通过蝶阀7与地源侧循环泵组D连接且冷冻水入口A1通过蝶阀2与用户侧循环泵组C连接；
    所述的主机B上设置有冷却水出口B4、冷却水入口B3、冷冻水出口B2和冷冻水入口B1；所述冷却水出口B4通过电动阀YM3及蝶阀1与所述用户侧循环泵组C连接；且所述冷却水出口B4通过电动阀YM3及蝶阀8与所述地源侧循环泵组D连接；所述冷却水入口B3通过蝶阀5与地源侧的供水管连接且所述冷却水入口B3通过蝶阀4与用户侧201的供水管连接；所述冷冻水出口B2通过电动阀YM4及蝶阀6与地源侧的供水管连接；且所述冷冻水出口B2通过电动阀YM4及蝶阀3与用户侧的供水管连接；所述冷冻水入口B1通过蝶阀7与所述地源侧循环泵组D连接；且所述冷冻水入口B1通过蝶阀2与所述用户侧循环泵组C连接；
    所述的用户侧循环泵组C与用户侧的回水管连接；所述地源侧循环泵组D与地源侧的回水管连接。
  3. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块还包 括比例调节阀E、压力表P1、P2；所述比例调节阀E的两端分别连接用户侧的回水管与供水管；所述压力表P1设置在用户侧的供水管；所述压力表P2设置在用户侧的回水管。
  4. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块还包括压力表P3、P4和温度传感器；所述压力表P3和所述压力表P4分别设置在所述地源侧的供水管和回水管上；所述温度传感器T1位于用户侧的供水管上；温度传感器T4位于地源侧的供水管上；温度传感器T5位于地源侧的回水管上；所述温度传感器T2、T3设置在所述用户侧的回水管上、且分别位于所述比例调节阀E与该回水管的连接部的两侧。
  5. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的扩展模块，包括扩展主机H、扩展电动阀YM5、YM6、用户侧扩展循环泵、地源侧扩展循环泵；扩展电动阀YM5、YM6分别设置在扩展主机H的冷却水出口H4和冷冻水出口H2；用户侧扩展循环泵并联在用户侧循环泵组C上；地源侧扩展循环泵并联在地源侧循环泵组D上。
  6. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块设有主板；所述主板与主模块通讯口连接；且主模块通讯口与扩展模块通讯口连接。
  7. 根据权利要求6所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块通讯口与人机交互设备连接；所述的人机交互设备功能包括：显示系统图参数界面、显示详细数据监测界面、显示数据曲线、参数修改、显示能耗分析及显示工况策略。
  8. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述的主模块还设置有存储器；存储器与主板连接，用于存储该地源热泵集成控制器的运行数据。
  9. 根据权利要求1所述的地源热泵集成控制器，其特征在于：所述主模块还设置有无线通讯模块；所述无线通讯模块与所述主板连接。
  10. 一种地源热泵集成控制器的实现方法，其特征在于：该方法步骤包括：
    地源热泵集成控制器上电后，通过人机交互设备设置地源热泵集成控制器为自动模式，设置定时启停，设置冬夏季模式；
    所述的定时启停，按周计算，每天设四个时间段，每个时间段设置系统启动或停止；
    (1)、地源热泵集成控制器运行主程序是：
    当前时间允许启动主机：用户侧回水温度满足启动主机条件，用户侧回水温度为温度传感器T3所检测温度；在夏季时，当用户侧回水温度高于设定温度，即满足启动主机条件；在冬季，当用户侧回水温度低于设定温度时，即满足启动主机条件；若当前时间不允许启动，则调用主机停止程序；
    正在运行设备是否有故障：若设备无故障，当前有可启动的设备，可启动设备是指主机A和主机B至少有一台处于停止状态且能够正常启动、用户侧循环泵组C至少有一台处于停止状态且能够正常启动，地源侧循环泵组D至少有一台处于停止状态且能够正常启动；则调用主机启动程序，主程序结束；若设备有故障，设备会反馈一个数字量的信号；若有备用设备，则启动备用设备；没有备用设备，则调用主机停止程序；
    (2)、主机启动程序是：
    通过比较主机A和主机B的运行时间选出运行时间最短的主机，启动此台主机对应的电动阀；主机A对应电动阀为电动阀YM1、YM2；主机B对应电动阀为电动阀YM3、YM4；
    电动阀开到位后，当电动阀YM1、YM2、YM3、YM4完全打开后，会反馈一个开到位的数字量信号；通过比较用户侧循环泵组C的运行时间，选出运行时间最短的用户侧循环泵，启动运行时间最短的用户侧循环泵，用户侧循环泵启动后，启动运行时间最短的主机，主机启动后，主机启动程序结束；
    (3)、主机停止程序是：
    通过比较主机A和主机B的运行时间选出运行时间最长的主机，停止运行时间最长的主机；然后通过比较用户侧循环泵组C的运行时间；选出运行时间最长的用户侧循环泵，停止运行时间最长的地源侧循环泵；若用户侧循环泵运行数量大于1台，或当前时间不允许启动主机，则停止运行时间最长的用户侧循环泵；然后停止主机对应电动阀；主机对应电动阀关到位后，主机停止程序结束；若用户侧循环泵运行数量为1台，且当前时间允许启动主机，则直接跳转到主机停止程序结束。
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