CN106871492A - 一种地源热泵的群控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵的群控系统，包括多台并联的并自带PLC控制器的地源热泵机组、用户侧水泵、地源侧水泵、至少一个用户侧备用水泵、至少一个地源侧备用水泵、一个回水温度传感器和一个室外温度传感器；多台地源热泵机组连接用户侧供回水总管和地源侧供回水总管；所有的PLC控制器通过信号线连在一起组成PLAN局域网，实现数据通讯，并设置一台地源热泵机组的为主机，其余的地源热泵机组为从机，并在每一台地源热泵机组上的PLC控制器设置群控运行模式，有效开机命令为本地开机+群控开机。本发明的群控系统，通过协调已组成局域网的各个机组的启停和压缩机的需求数量，达到能级细分和精确控温的要求，实现热泵的变流量运行。

Description

一种地源热泵的群控系统

技术领域

本发明涉及一种地源热泵的群控系统。

背景技术

对于具有多台(三台及以上)的地源热泵机房，现缺乏一种可靠的群控方法，导致现有的地源热泵机房，依靠简单的定时开关机和水泵控制机组的方法来实现机房管理，水泵处于长期运行状态，且地源侧水泵无法自动调节流量，机房输出能力仅依靠机组本身的能级细分，不能很好的对应用户侧负荷的变化。致使极小负荷状态时，机房能耗仍然很大。多台地源热泵运行时，不能均衡各机组的运行时间，导致机组的寿命长短不一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种地源热泵的群控系统，它通过协调已组成局域网的各个机组的启停和压缩机的需求数量，实现均衡运行多台地源热泵的运行时间，提高机组的使用寿命。

本发明的目的是这样实现的：一种地源热泵的群控系统，包括多台并联的地源热泵机组、用户侧水泵、地源侧水泵、至少一个用户侧备用水泵、至少一个地源侧备用水泵、一个回水温度传感器和一个室外温度传感器；多台地源热泵机组分别通过用户侧供回水支管连接用户侧供回水总管，多台地源热泵机组分别通过地源侧供回水支管连接地源侧供回水总管；每台地源热泵机组均自带PLC控制器；其中，

所有的PLC控制器通过信号线连在一起组成PLAN局域网，实现数据通讯，并设置一台地源热泵机组的为主机，其余的地源热泵机组为从机，并在每一台地源热泵机组上的PLC控制器设置群控运行模式，有效开机命令为本地开机+群控开机；

所述用户侧水泵和用户侧备用水泵通过用户侧供回水总管与所有的地源热泵机组连接，并且所述用户侧水泵与用户侧备用水泵之间的用户侧供回水总管上安装第一截止阀；

所述地源侧水泵和地源侧备用水泵通过地源侧供回水总管与所有的地源热泵机组连接，并且所述地源侧水泵与地源侧备用水泵之间的地源侧供回水总管上安装第三截止阀；

所述地源侧水泵的变频器、用户侧备用水泵的变频器和地源侧备用水泵的变频器均与所述主机的PLC控制器信号连接；

所述回水温度传感器安装在用户侧供回水总管上并与所述主机的PLC控制器信号连接；

所述室外温度传感器与所述主机的PLC控制器信号连接。

上述的地源热泵的群控系统，其中，多台地源热泵机组的从机中，根据需要至少有一台被设置为具有值班功能的地源热泵机组，与该具有值班功能的地源热泵机组连接的用户侧供回水支管和地源侧供回水支管上一一对应地安装用户侧供回水止回阀和地源侧供回水止回阀；所述用户侧供回水止回阀的下游通过第二截止阀连接所述用户侧备用水泵；所述地源用户侧供回水止回阀的下游通过第四截止阀连接所述地源侧备用水泵；通过第一截止阀和第二截止阀的切换，实现用户侧备用水泵的备用功能和值班功能的切换；通过第三截止阀和第四截止阀的切换，实现地源侧备用水泵的备用功能和值班功能的切换。

上述的地源热泵的群控系统，其中，多台地源热泵机组的从机中，根据需要至少有一台被设置为具有热水功能的地源热泵机组；该具有热水功能的地源热泵机组与一热水循环泵连接。

上述的地源热泵的群控系统，其中，多台地源热泵机组上的PLC控制器均可设置单机运行模式。

上述的地源热泵的群控系统，其中，所述地源热泵机组的压缩机采用涡旋式压缩机，每台地源热泵机组并联压缩机的数量为两台至四台。

上述的地源热泵的群控系统，其中，所述地源侧水泵的变频器、用户侧备用水泵的变频器和地源侧备用水泵的变频器均由主机的PLC控制器输出的0～10V模拟量控制。

本发明的地源热泵的群控系统，通过组成局域网的各个机组和“主机”的通讯，实现主机控制从机的启停并分配各在线机组的压缩机的需求数量，达到能级细分和精确控温的要求，实现热泵的变流量运行，在小负荷时，通过自动降低水泵频率的方法来降低水泵的能耗。而在极小负荷时，通过仅变频运行备用水泵和值班机组实现匹配极小负荷的需求。实现更高的机房部分负荷能效，实现精确的温度控制；实现地源侧水泵的变频运行控制，实现极小负荷状态的热泵机组能力和水泵输出能力的匹配；实现均衡运行多台地源热泵的运行时间，提高机组的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的地源热泵的群控系统的结构示意图；

图2是本发明的地源热泵的群控系统的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明的一种地源热泵的群控系统，包括多台并联的地源热泵机组、两个用户侧水泵3、3’、一个用户侧备用水泵4(用户侧备用水泵)，两个地源侧水泵5、5’、一个地源侧备用水泵6(地源侧备用水泵)、至少一个热水循环泵7、一个回水温度传感器8和一个室外温度传感器9。

本案例中，在线的地源热泵机组的最大数量为八台；八台地源热泵机组21～28分别通过用户侧供回水支管连接用户侧供回水总管100，八台地源热泵机组21～28分别通过用户侧供回水支管连接用户侧供回水总管200；八台地源热泵机组各自带PLC控制器11～18；八台地源热泵机组21～28的压缩机采用涡旋式压缩机，每台地源热泵机组并联压缩机的数量为两台至四台；八台PLC控制器11～18通过屏蔽双绞线连在一起组成PLAN局域网，实现数据通讯，并设置一台地源热泵机组为主机21，其余的地源热泵机组为从机22～28，设置八台地源热泵机组21～28的PLC控制器11-18的地址，其中属于主机21的PLC控制器11的地址设置为“地址1”，属于七台从机22～28的PLC控制器12～18的地址设置为“地址2”至“地址8”。七台从机22～28中可以根据需要至少有一台被设置为具有值班功能的地源热泵机组，并且可以根据需要至少有一台被设置为具有热水功能的地源热泵机组；本案例设置属于“地址2”的地源热泵机组为具有值班功能的机组22，本案例设置属于“地址8”的源热泵机组为具有热水功能的机组28；在每一台地源热泵机组的PLC控制器上设置群控运行模式，只有本地开机后，主机的PLC控制器11才会确认当前从机是否在线。

两个用户侧水泵3、3’和用户侧备用水泵4通过用户侧供回水总管100与八台地源热泵机组21～28连接，并且用户侧水泵3’与用户侧备用水泵4之间的用户侧供回水总管100上安装第一截止阀31。

两个地源侧水泵5、5’和地源侧备用水泵6通过地源侧供回水总管200与八台地源热泵机组21～28连接，并且地源侧水泵5’与地源侧备用水泵6之间的地源侧供回水总管200上安装第三截止阀33。

用户侧备用水泵4的变频器、两个地源侧水泵5、5’的变频器和地源侧备用水泵6的变频器均与主机21的PLC控制器11信号连接；并且用户侧备用水泵4的变频器、两个地源侧水泵5、5’的变频器和地源侧备用水泵6的变频器由主机21的PLC控制器11输出的0～10V模拟量控制。

热水循环泵7通过热水管与具有热水功能的地源热泵机组28(本案例为“地址8”)连接。

与具有值班功能的地源热泵机组22(本案例“地址2”)连接的用户侧供回水支管和地源侧供回水支管上一一对应地安装用户侧供回水止回阀10和地源侧供回水止回阀10’，用户侧供回水止回阀10的下游通过第二截止阀32连接用户侧备用水泵4；地源侧供回水止回阀10’的下游通过第四截止阀34连接地源侧备用水泵6。

用户侧备用水泵4和地源侧备用水泵6具有备用功能，即当两个用户侧水泵3、3’和两个地源侧水泵5、5’需要维修时，第一截止阀31和第三截止阀33关闭，即可启用用户侧备用水泵4和地源侧备用水泵6。用户侧备用水泵4和地源侧备用水泵6还具有值班功能，即通过第一截止阀31和第二截止阀32的切换，实现用户侧备用水泵4的备用功能与值班功能的切换；通过第三截止阀33和第四截止阀34的切换，实现地源侧备用水泵6的备用功能与值班功能的切换；当用户侧备用水泵4和地源侧备用水泵6执行备用水泵功能时，值班运行模式将取消。用户侧供回水止回阀10和地源侧供回水止回阀10’具有止回功能，在进行值班运行模式期间关闭，第一截止阀31和第三截止阀33关闭，第二截止阀32和第四截止阀34打开，仅由用户侧备用水泵4和地源侧备用水泵6运行，确保具有值班功能的地源热泵机组22有正常的流量。

回水温度传感器8安装在用户侧供回水总管200上并与主机21的PLC控制器11通过信号线连接。回水温度传感器8可以选择安装，当选择安装回水温度传感器8时，所有的在线机组均共享此回水温度传感器8的信号。

室外温度传感器9通过信号线连接主机21的PLC控制器11。室外温度传感器9可以选择安装，当选择安装温度传感器9时，所有的在线机组均共享此室外温度传感器9的信号。

本发明的地源热泵的群控系统的从机的开关机、压缩机需求数量、工作模式将受主机的PLC控制器控制，但每台机组的报警系统独立。主从控制的目的在于通过协调已组成局域网的各机组的启停和压缩机数量需求，达到能级细分和精确控温的要求，实现地源热泵地源侧的定温差运行，在小负荷时，通过自动降低水泵频率的方法来降低水泵能耗。

本发明的地源热泵的群控系统的工作原理如下：

1)通过局域网通讯，主机的PLC控制器可以确认在线机组的数量和压缩机数量，结合主机的用户侧供回水温差设定，划分能级，在线机组的最大数量可达八台，可划分的能级最大可达到32级，可控的末端回水温度的精度达到±0.2℃。

2)主机的PLC控制器协调的对象为已在线机组，在线的判定逻辑为本地开机和无掉线报警，并已设置群控运行模式。

3)主从控制的温控依据主机的PLC控制器设定的回水温度或连接在主机的PLC控制器上的回水温度传感器8。

4)主从控制的设置温度依据主机的PLC控制器的设定温度而定，从机的设置温度在主从控制模式下无效；主机的设置温度为用户侧总管目标出水温度，程序将结合用户侧供回水温差自动计算需控制的回水温度值，计算方法如下：

制冷模式：需控制的回水温度目标值＝制冷用户侧供回水温差(默认5℃)÷当前在线压缩机数量+制冷模式下用户侧总管目标出水温度；

制热模式：需控制的回水温度目标值＝制热模式下用户侧总管目标出水温度－制热用户侧供回水温差(默认6℃)÷当前在线压缩机数量；

根据实际总管回水温度和计算回水温度值的比较，可以得出空调负荷，实际可控的最小负荷为3.1％。

5)主从控制下的工作模式(制冷模式、制热模式、热水模式)将依据主机的PLC控制器设置的工作模式，从机的PLC控制器设定的工作模式无效。

6)无论“主机”是否具备热水功能，热水箱温度传感器只和主机的PLC控制器连接，所有的在线机组均共享此热水温度。

7)组成局域网的在线机组，其有效开机命令需同时具备本地开机命令和主机的PLC控制器发出的网络开机命令。

8)当根据空调负荷计算的压缩机的需求数量小于或等于在线机组的压缩机数量时，设为能级1运行；能级1可细分成最大8个能级；

当根据空调负荷计算的压缩机的需求数量大于在线机组的压缩机数量但小于或等于在线机组的压缩机数量的两倍时，设为能级2运行；能级2可细分成最大8个能级；

当根据空调负荷计算的组群压缩机的需求数量大于在线机组的压缩机数量的两倍但小于或等于在线机组的压缩机数量的三倍时，设为能级3运行；能级3可细分成最大8个能级；

当根据空调负荷计算的组群压缩机的需求数量大于在线机组的压缩机数量的三倍时，设为能级4运行；能级4可细分成最大8个能级。

9)能级1运行阶段，在线机组加载的压缩机数量等于计算的压缩机的需求数量，加载对象为在线机组累计运行时间较短且无禁止所有压缩机启动的报警对象；减载对象为累计运行时间较长的在线机组。如当前机组具有热水功能，则优先加载。

在组群能级为2、3、4阶段，所有在线机组均加载；

在单热水模式下在线机组加卸载对象均为在线的已设定热水功能的机组。

10)在能级1运行状态下，已加载的在线机组的压缩机的需求数量为一台；

在能级2运行状态下，已加载的在线机组压缩机的需求数量为一台加上根据在线机组的累计运行时间分配到的一台；

在能级3运行状态下，已加载的在线机组压缩机的需求数量为两台加上根据在线机组的累计运行时间分配到的一台；

在能级4运行状态下，已加载的在线机组压缩机的需求数量为三台加上根据在线机组的累计运行时间分配到的一台；

热水需求的压缩机数量由机组本身的设定或程序逻辑决定。

11)在空调模式下，有效的组群开机信号或在线机组有任一用户侧水泵的加载需求，主机的PLC控制器输出用户侧水泵3、3’工作信号；

在单热水模式下，主机的PLC控制器输出用户侧水泵3、3’停止工作信号；

在值班模式下，主机的PLC控制器输出用户侧水泵3、3’停止工作信号，同时输出用户侧备用水泵4工作信号。

12)在线机组有任一地源侧水泵的加载需求，主机的PLC控制器输出地源侧水泵5、5’工作信号；

在值班模式下，主机的PLC控制器输出地源侧水泵5、5’停止工作信号，同时输出地源侧备用水泵6工作信号。

13)在线机组有任一热水侧水泵的加载需求，主机的PLC控制器输出热水循环泵7工作信号。

14)在“值班”时间内，用户侧备用水泵4启动，用户侧水泵3、3’停止；

在“值班”时间内，在线的值班机组有任一地源侧水泵的加载需求，主机的PLC控制器输出地源侧备用水泵6的工作信号，同时输出地源侧水泵5、5’停止工作信号。

15)地源侧水泵的变频控制

地源侧水泵的变频输出由在线机组的PLC控制器输出模拟量0～10V定义；

规定地源侧水泵的变频控制对应四台压缩机数量，有4级变频输出，均可以设定；

能级1为最小值，依次按能级2、能级3、能级4递增，能级4最大，一般对应工频；

在单热水状态时，地源侧水泵的变频值对应能级2设定的变频值；

在正常空调模式的能级1运行状态下，且所有在线机组运行的压缩机数量均不大于一台时，地源侧水泵的变频值对应能级1的变频设定；

在正常空调模式的能级2运行状态下，且所有在线机组运行压缩机数量均不大于两台时，地源侧水泵的变频值对应能级2变频设定；

在正常空调模式的能级3运行状态下，且所有在线机组运行压缩机数量均不大于三台时，地源侧水泵的变频值对应能级3变频设定；

在正常空调模式的能级4的状态下，地源侧水泵的变频值对应能级4设定；

在“值班”时间内，地源侧备用水泵6的变频值对应设定的地源侧备用水泵的变频值。

16)用户侧备用水泵的变频控制

用户侧备用水泵4的变频输出类似地源侧水泵，但还需结合最不利回路的末端供回水压差决定是否允许变频；

在“值班”时间内，用户侧备用水泵4的变频值对应设定的用户侧备用水泵变频值。

17)在线机组的加载间隔时间

在线机组的加载间隔时间根据设定间隔时间逐台加载，在允许制冷或制热的快速加载情况下，如回水温度满足快速加载设置温度条件，在线机组的加载间隔时间为30S。

18)值班运行

值班运行指在项目运行中的某些时间段内出现与正常运行时间相比空调负荷急剧减小的情况，如办公楼、党政机关、学校等具有明显作息时间的建筑。而这个时间段是预先可以预测的。在设定的值班运行阶段，组群仅运行已设定的具有值班功能的在线机组和备用水泵并对备用水泵进行变频。若需要启用用户侧备用水泵4时，需要开启第二截止阀32，同时关闭第一截止阀31；若要启用地源侧备用水泵6时，需要开启第四截止阀34，同时关闭第三截止阀33。

19)负荷计算以设定的水温(控温)和回水温度结合供回水温差与在线机组的数量综合判定空调负荷的需求大小，因此控温的设定将影响负荷的大小并间接影响运行的压缩机数量；安装室外温度传感器，程序将依据室外温度自动调整控温。

本发明的地源热泵的群控系统的控制方法如下：

在主机21的PLC控制器11操作面板上启动“群控开机”，主机21的PLC控制器11在制冷或制热的模式下输出两个用户侧水泵3、3’的启动信号，使两个用户侧水泵3、3’启动。

主机21的PLC控制器11根据回水温度传感器8传递的模拟量信号与设定的水温进行比较，并根据PLAN局域网传递的从机信息得到在线的压缩机的数量，判断需要启动的压缩机数量和当前运行能级，并根据压缩机的累计运行时间的大小，得出加卸载对象，通过PLAN局域网传递网络开关机信号和需求加载压缩机的数量；七台从机22～28的PLC控制器12～18得到网络开机信号后，有效开机，并发出启动地源侧水泵的需求信号，此信号通过PLAN局域网让主机21的PLC控制器11接受，并发出两个地源侧水泵5、5’的启动信号，使两个地源侧水泵5、5’启动。

在线的八台地源热泵机组21～28分别通过独立的控制程序判断有无报警并启动压缩机。在此过程中，主机21的PLC控制器11不断根据回水温度传感器8传递的信号与设定的水温进行比较，籍此调整需要启动的压缩机的数量。当回水温度越逼近设定的水温，需要启动的压缩机的数量就越小。当需要启动的压缩机的数量小于在线地源热泵机组的数量时，累计运行时间较长的地源热泵机组将越早关机，直至所有的压缩机卸载完毕，地源热泵机组全部关机。这时任何一台地源热泵机组均无启动地源侧水泵的需求，主机21的PLC控制器11停止对两个地源侧水泵5、5’的信号输出，两个地源侧水泵5、5’停止启动。在本实施例中，压缩机最少的运行数量可低至一台，相当于满负荷的3.1％。

上述运行过程中，回水温度越逼近设定的水温，单台地源热泵机组运行的压缩机的数量就越少。由于相同型号的地源热泵机组的冷媒-水换热器的阻力特性基本相同，因此多台并联的地源热泵机组的地源侧的流量应基本相同，地源侧的供回水温差和当前地源热泵机组的压缩机的开启数量有关。由于使用主从控制方式，可以确保并联的地源热泵机组所启动的压缩机的数量不会大于当前运行的能级数，因此在低于能级4的运行状态下，两个地源侧水泵5、5’可以通过调频降低流量，实现机组地源侧换热器的“定温差”运行，以降低地源侧水泵的能耗。

上述运行过程中，如应用于极小负荷时间段的“值班”时间到，本案例中已定义为具有值班功能的地源热泵机组22(“地址2”的PLC控制器12)将得到值班开机信号，继续有网络开机信号，其余的地源热泵机组将被关闭，与“值班”的地源热泵机组22输出能力相匹配的用户侧备用水泵4开启，两个用户侧水泵3、3’关闭。由于有止回阀10，用户侧备用水泵4的流量只能通过机组22的用户侧换热器，如“值班”的地源热泵机组22有压缩机的启动需求，地源侧备用水泵6开启。

上述运行过程中，一旦有热水需求，本案例具有热水功能的地源热泵机组28(“地址8”的PLC控制器18)将被优先启动；与具有热水功能的地源热泵机组28输出能力相匹配的热水循环泵7开启。

上述运行过程中，可以用下表的多台地源热泵机组的制冷运行分析来更好的说明(八台地源热泵机组，每台有四个压缩机，设定制冷水温为7℃)：

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种地源热泵的群控系统，包括多台并联的地源热泵机组、用户侧水泵、地源侧水泵、至少一个用户侧备用水泵、至少一个地源侧备用水泵、一个回水温度传感器和一个室外温度传感器；多台地源热泵机组分别通过用户侧供回水支管连接用户侧供回水总管，多台地源热泵机组分别通过地源侧供回水支管连接地源侧供回水总管；每台地源热泵机组均自带PLC控制器；其特征在于，

所有的PLC控制器通过信号线连在一起组成PLAN局域网，实现数据通讯，并设置一台地源热泵机组的为主机，其余的地源热泵机组为从机，并在每一台地源热泵机组上的PLC控制器设置群控运行模式，有效开机命令为本地开机+群控开机；

所述用户侧水泵和用户侧备用水泵通过用户侧供回水总管与所有的地源热泵机组连接，并且所述用户侧水泵与用户侧备用水泵之间的用户侧供回水总管上安装第一截止阀；

所述地源侧水泵和地源侧备用水泵通过地源侧供回水总管与所有的地源热泵机组连接，并且所述地源侧水泵与地源侧备用水泵之间的地源侧供回水总管上安装第三截止阀；

所述地源侧水泵的变频器、用户侧备用水泵的变频器和地源侧备用水泵的变频器均与所述主机的PLC控制器信号连接；

所述回水温度传感器安装在用户侧供回水总管上并与所述主机的PLC控制器信号连接；

所述室外温度传感器与所述主机的PLC控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的地源热泵的群控系统，其特征在于，多台地源热泵机组的从机中，根据需要至少有一台被设置为具有值班功能的地源热泵机组，与该具有值班功能的地源热泵机组连接的用户侧供回水支管和地源侧供回水支管上一一对应地安装用户侧供回水止回阀和地源侧供回水止回阀；所述用户侧供回水止回阀的下游通过第二截止阀连接所述用户侧备用水泵；所述地源用户侧供回水止回阀的下游通过第四截止阀连接所述地源侧备用水泵；通过第一截止阀和第二截止阀的切换，实现用户侧备用水泵的备用功能和值班功能的切换；通过第三截止阀和第四截止阀的切换，实现地源侧备用水泵的备用功能和值班功能的切换。

3.根据权利要求1所述的地源热泵的群控系统，其特征在于，多台地源热泵机组的从机中，根据需要至少有一台被设置为具有热水功能的地源热泵机组；该具有热水功能的地源热泵机组与一热水循环泵连接。

4.根据权利要求1所述的地源热泵群控系统，其特征在于，多台地源热泵机组上的PLC控制器均可设置单机运行模式。

5.根据权利要求1至4任意所述的地源热泵的群控系统，其特征在于，所述地源热泵机组的压缩机采用涡旋式压缩机，每台地源热泵机组并联压缩机的数量为两台至四台。

6.根据权利要求1所述的地源热泵的群控系统，其特征在于，所述地源侧水泵的变频器、用户侧备用水泵的变频器和地源侧备用水泵的变频器均由主机的PLC控制器输出的0～10V模拟量控制。