更稳定更节能，济南第14中学热泵供暖智能集中控制方案详解
《热泵市场》杂志
方案_正理生能
摘要：本项目为既有建筑，供热范围包括3栋教学楼，供热面积12670㎡，2栋宿舍楼供热面积5700㎡，本项目建筑物建于90年代前后，属于非节能建筑，供暖前需要采取建筑节能改造措施。项目采暖热指标按照节能改造后选取，教学楼采暖热指标取45W/㎡,宿舍楼取35W/㎡，系统采用智能集中控制方案，保证机组运行的稳定性和节能效果。
关键词：热泵供热、机组选型计算、远程控制
1.项目概况
本设计为济南第十四中学空气源热泵供热工程，由于本项目周边市政供热管网能力不足，需要建立清洁能源满足用户的用热需求。项目为既有建筑，供热范围包括3栋教学楼，供热面积12670㎡，2栋宿舍楼供热面积5700㎡，建筑物建于90年代前后，属于非节能建筑，供暖前需要采取建筑节能改造措施，增强建筑本体的保温性能，采暖热指标按照节能改造后选取，教学楼采暖热指标取45W/㎡，宿舍楼取35W/㎡，节能改造满足热指标后要求方可使用。
2.设计依据
《城镇供热管网设计规范》(CJJ34-2010)
《城镇直埋热水管道技术工程》CJJ/T81-2013
《城镇供热管网工程施工及验收规范》CJJ28-2014
《供热计量技术规程》JCJ173-2009
《山东省城市住宅集中供热分户热计量系统设计暂行技术规定》鲁建发【2001】71号
《居住建筑节能设计标准》(DBJ14-037-2012)
《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
3.气候参数
3.1室外参数
注：因采暖需求的时间原因，只选取了部分月份的数据。
3.2主要技术参数
4.机组数量选型
根据学校方的要求，考虑到设备的初始投资及同时入住率，因为按照建筑面积计算，实际采暖面积是建筑面积的90%左右，同时入住率80%左右，济南地区的历年最低气温为-12℃左右，因此，按照学校方的要求按照-5.3℃的工况配置我们的超低温机组即可。
空气源热泵机组的工作环境范围为-25℃～43℃，完全能够满足对方的要求，机组在-5.3℃的环境工况下的国家级检测院测试的制热量为69.827KW,因此机组的台数的配置计算：N=Q÷q=(540+210)kW÷69.827KW=11台
根据要求配置11台超低温机组，在-5.3℃的工况下启动11台机组，完全能够满足要求。在环境温度-5.3℃的时候，空气源热泵的流量为Q=0.86×Q/Δt=0.86×750kW/10℃=55.47m³/h。
5.运行费用分析
根据项目的特点，空气源热泵在整个采暖季平均每天运行15个小时的时候，开启的台数大约为8台左右。
由以上的数据可知：每平方的采暖费用为272160元/18000㎡=15.12元/㎡。
6.管道安装与系统控制
6.1附件与设施
6.1.1管道在最高点及除污器高点设放气装置，在低点设放水装置，管道坡度i=0.002。
6.1.2阀门连接采用法兰连接时，法兰压力按设备接口法兰要求配置;但压力等级不应低于1.6MPa，管道与管道连接：管径≥DN40采用焊接连接，管径≤32的采用螺纹连接，压力表选用工业二级，精度等级1.5级，读数精度0.02MPa，最大量程为运行压力的1.5倍。选用金属套管表盘式温度表、工业二级、1.5级精度。
6.1.3管道附件均应采用标准件，如弯头采用冲压或热压弯、三通采用煅制，变径管采用成品件，水泵入口侧采用顶平异径管。管道盲端采用椭圆封头。
6.1.4热力站应设置能与电力、自来水部门独立结算的电表和水表。
6.2管道连接
6.2.1管材：热水管道DN<200mm的采用无缝钢管，材质为20#钢，执行标准,GB/T8163-2008;DN≥200mm的采用螺旋焊缝钢管，材质为Q235B，执行标准GB/T9711-2011。
6.2.2钢管的焊接必须严格执行国家现行标准《工业金属管道工程施工规范》(GB50235-2010)、《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》(GB50236-2011)以及《城镇供热管网工程施工及验收规范》(CJJ28-2014)有关要求，电焊条选用E4303型。
6.2.3管道对焊前，必须把管中的杂物清除干净，以减少管道冲洗工作量，有利冲洗及运行。
6.3管道及支吊架安装
6.3.1管道安装前应具备的条件
(1)设计图纸与其他设备等有关技术文件、资料配套齐全，确认方能施工。
(2)与管道连接的设备已找平、找正，就位完毕。
(3)管道安装前必须完成有关程序，如管道的清洗、内部防腐、防锈、找直等工作已经完成。
(4)管道安装前应核对管道、阀门、管道附件、仪表，内部清洗干净，各种设备应具备合格证，安装使用说明。
6.3.2管道安装一般要求
(1)管道的坡度应符合规定，高点设手动放气装置，放气阀门引至低位便于操作处;低点设手动放水装置。坡度可用支架下的金属垫板调正，吊架用吊架螺栓调正。
(2)管道穿楼板、墙壁、基础应加装套管或涵洞保护，在套管内不得有焊缝、断面的空隙、偏斜、错口或不同心等缺陷。
(3)管道连接时，不得用强力对口、加偏垫或加多层垫等方法来消除接口断面的空隙、偏斜、错口或不同心等缺陷。
(4)管道焊接完成以后，需要对焊缝进行无损伤探伤检验，地上架空管道抽检数量不小于12%，直埋管道抽检数量不小于40%。超声探伤不得小于现行国家标准《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》GB/T 11345的Ⅲ级质量要求。
(5)管道防腐
1)成品预制弯头、三通在保温前应进行防腐刷漆，做法为：表面应先西安出去油污再以小型动力工具等方法清除铁鳞铁锈，经过处理之后，应再次除去砂粒，尘土等杂质，然后进行喷水性无机富锌底漆，膜厚为30μm。所有的阀门进行保温，保温的厚度及做法与对应焊接管道相同。
2)保温处的热力管道表面应先除去油污再以小型动力工具等方法清除铁鳞铁锈，经过处理以后，应再次除去砂粒，尘土等杂质，然后进行喷水性无机富锌底漆，膜厚为30μm。
3)管道接口现场焊接完毕按规定探伤结束后，应对管道端进行防腐处理，防腐做法为：对管端预留的50mm未刷漆的焊接预留带除锈后补刷无机富锌底漆(漆膜厚度不小于0.03mm)。
4)热力管道接头防腐：采用水性无机富锌底漆，膜厚为30μm，外涂一层丙烯酸聚氨酯作为面漆。
(6)保温
1）备管道、阀门均进行保温，保温做法按国标图集《管道及设备保温》08R418进行。保温前应进行除锈防腐处理。架空管道保温材料采用超细玻璃棉，外保护层为PAP。保护层的厚度：供水管道60mm，回水管道50mm;补水管道30mm。
2）阀门处采用可拆卸保温做法。直埋管道采用聚氨酯预制，保温管及管件符合现行标准《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》GB/T 29047-2012相关规定。
6.3.3管道支、吊架安装
(1)支墩、支架、吊架应牢固的固定在墙、柱、梁或地上支墩;支吊架的横梁应水平，顶面应与管子中心线平行，活动支架的滑动面应光滑、洁净、平整，不得有歪斜、卡涩现象。
(2)支架、吊架与管子接触部分与管子接触部分要良好、一般不得有缝隙，应与管子中心线平行。活动支架的滑动面应光滑、洁净、平整，不得有歪斜、卡涩现象。管道与托架焊接时不得有咬肉、烧穿等现象。支架或支座不应出现水平偏斜、倒塌或卡管，保温层不得防碍热位移。
(3)活动支架不应防碍管道由于热膨胀所引起的热位移，活动支架应安装在位移的相反方向，采用位移之半偏移安装。
(4)管道的支吊架参照国标图《室内热力管道支吊架》(05R417-1)设置管道支吊架，支吊架应牢固，不许晃动，以免发生事故。
(5)在循环水泵及换热器上方屋顶处加设吊钩，以便于设备及管道的检修。
6.4试压及冲洗
6.4.1热网应进行强度试验和严密性试验。强度试验压力应为1.5倍设计压力，严密性试验压力应为1.25倍设计压力。
6.4.2管道系统水压试验合格后，总系统应进行清洗。
6.4.3热泵机组架空主管加设旁通球阀，便于管道冲洗。
6.5热泵热水器集中控制方案
6.5.1现场终端概述
根据对方空气源热泵机组招标要求，和2014年机组实际控制的工程实践经验，控制系统图如下：
(1)机组控制
本方案采用机组数据采集器负责与机组设备的数据通讯。之所以采用机组数据采集器的方式是因为热泵机组的通讯协议本身是个自定义的通讯协议，而且热泵机组模块数量有限定，用数据采集器本身可以灵活修改程序，适应机组模块的通讯协议，同时起到一个通道转换器的作用，可以对几个不同的机组分别通讯，保持原有线控制器的基本格式。
(2)管道压力，温度，调节阀的检测和控制
采用西门子S7系列PLC及其扩展模块用于对机组进出口温度压力实现实时检测，对支路调节阀实时灵活控制。采集和检测电气控制柜的状态，控制循环泵的启停和变频调速。
(3)表计专用采集器
对卡姆鲁普热表，对各个机组及循环泵的计量电表，补水泵的计量水表的进行数据采集。此外室外温，湿度数据也通过该采集器进入系统。
(4)远程通讯
采用一个专用的3GVPN或者有线VPN通讯模块，以VPN方式与监控中心实现远程数据双向传输。
(5)主控制器
设置一个触屏控制器，作为控制中心。触屏控制器以Cortex-A8 CPU为核心(主频600M)，10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率1024*600)，四线制电阻触摸屏(分辨率4096*4096)，预装嵌入版组态软件主控制器实现本地控制与远程控制的结合。触屏对下通过485口连接数据采集器和PLC控制器，自带组态软件，通过监控画面，就地实现对机组，热表和调节阀，电气柜，表计的监测和控制。
对上通过VPN专线联接控制中心，上位软件通过触屏实现远程监控。从而满足热电招标文件关于就地控制和远程控制的要求。
(6)控制箱
上述控制设备集成为一个控制箱内，设置在机房内部合适位置。
6.5.2远程控制中心端
远端控制中心设置工控机一台，VPN方式的数据远传实现数据互通，采用组态软件实现对机组及其周边设备的工艺控制，由工控机上传至总监控平台。
6.5.3软件总体概述
本系统实现了本地直接控制与远程集中管理的监控模式，原则上本地触屏控制器实现对机组、热表和调节阀的直接检测与控制，远程控制端通过对本地控制端设置参数的调节实现对设备的间接控制，总体控制模式类似DCS控制系统集中管理，分散控制的思路。
6.5.4软件主要功能及优势
(1)可实行手动，自动操作。自动平衡每台压缩机的工作时间，显示运行状态。可实现对机组模块的单独或整体启、停控制，可实现设备自动启动与停机及节能运行。
(2)根据开放的485数据接口的传输协议，上传机组模块状态，包括启、停、化霜、故障等数据参数;包括每个机组模块内压缩机排气温度，排气温度报警、蒸发器化霜机组及化霜时间，冷媒压力，模块供水温度、模块进出口压力等。
(3)上传整体计量，检测数据，包括热表数据(累计热量，瞬时热量，流量等)、总供，回水温度、总供回水压力、机组用电数据，液位数据，循环泵使用状态，室外温，湿度，补水计量水表数据等。
(4)现场控制端可以采用有线或者无线的方式(包括VPN方式)与监控平台无缝对接，默认的上传协议是MODBUS TCP，也可以根据总监控平台的协议调整上传协议。
(5)触屏控制器设置温度专项控制表格，表格设定每天24小时每个小时的温度控制值，控制值可以设置成室外温度的函数，从而实现根据室外温度补偿控制曲线。可以根据不同日期设置不同的温控曲线。根据负荷变化的自动切换机组模块，满足负荷调整的需要。
(6)设置远程控制接口(VPN路由器接口)，以ModBus TCP协议与热电生产调度系统对接，实现远程控制主机与就地控制系统的交互，支持运行参数的采集(包含热泵机组及主要附属设备主要参数)，远程控制命令的执行等，提供满足通讯要求的信令表。
(7)主要参数涵盖压缩机排气温度并设置排气温度高报警、蒸发器化霜机组及化霜时间，并有历史记录、冷媒压力、热表热量、总供回水温度、总供回水压力、模块供水温度、模块进出口压力、机组用电数据等。
(8)结合机组故障诊断信息，控制系统具有故障自动保护、模块严重故障则系统将其退出运行。系统历史记录保留全部工况信息和故障信息，以资分析。
(9)控制系统软件设置重要环节的联锁控制工能，防止误操作。如机组模块的启动必须以循环泵的运行为前提条件，否则无法启动。
版权：本文首发于《热泵市场》杂志5月刊，由浙江正理生能科技有限公司提供，特此致谢。