CN101916094B - 一种地源热泵预警控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种地源热泵预警控制器及其控制方法，它包括传感器、输入电路、微型计算机、通信电路和输出电路，在地源热泵系统设计期间，控制器对建筑进行全年动态能耗分析，建立地源热泵运行的动态土壤温度标准曲线及标准运行方案；运行过程中，实时监测土壤温度变化情况。土壤温度的监测依靠埋置在地下的测温热电阻来完成，并且将测得的温度传递给数据监控系统；控制程序根据实际监测的土壤温度与标准曲线的偏差，并结合预警阈值范围，动态调整地源热泵系统的运行控制策略。本发明能为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略，指导地源热泵系统安全、稳定、高效地运行。

Description

一种地源热泵预警控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及制冷和采暖技术，尤其是地源热能利用设备，具体地说是一种用于地源热泵系统的土壤热平衡预警控制器及其控制方法。

背景技术

土壤热不平衡是影响地源热泵系统正常运行的主要威胁之一，就建筑物负荷自身的特点而言，我国大部分地区的地源热泵工程都面临地下的排热量和取热量不平衡的问题。在冬夏冷热负荷不平衡的时候，随着地下储存的冷量(或热量)累积变化，必然导致地下温度的不平衡。这一方面会影响地源热泵的运行性能，另一方面，土壤作为自然环境的一部分，其热物性参数的变化会导致生态环境的变化。

土壤热不平衡的解决需要在设计阶段和运行阶段共同完成，二者缺一不可。目前，针对设计方面的研究已经很多，采用混合式地源热泵就是解决土壤热不平衡问题的一个有效的方法。例如，采用地埋管换热器与冷却塔复合的模式。在大气温度较为凉爽的时间里通过冷却塔排热，不仅可以保持制冷主机较高的运行效率，还可以调节排入地下的热量，二者兼得。一些比较细致的设计还就土壤温度进行全年热平衡计算，以估计土壤温度的变化。这些工作都为土壤热平衡控制奠定了良好的基础。

但是设计阶段的工作都只是为土壤热平衡控制提供了手段和条件，并不代表土壤热平衡问题的最终解决。

在实际运行过程中，季节内的天气情况、实际使用建筑面积、包括建筑使用功能等条件往往都会发生变化，有时会发生很大的变化，与设计时所设定的情景往往不一致。这些因素的变化给空调负荷带来较大的影响。负荷的变化将导致土壤温度场以及地埋管出水温度不可能完全按照设计计算时模拟出的情况变化。因此，即使是对设计十分完善的系统，在运行阶段也不可能自动实现土壤热平衡。在运行过程中如果不针对土壤温度的实际状况进行合理的控制，任由其无目的地运行，就无法控制土壤温度场的变化情况。因此，建立一个预警控制系统，以便在运行过程中管理人员能合理的控制与指导土壤源热泵系统的运行，调节地埋管与辅助冷/热源的运行时间，确保向土壤的排热和取热保持在平衡状态，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对目前在实际运行过程中，不能对土壤温度的实际状况进行合理的控制，无法控制土壤温度场变化情况的问题，提出一种地源热泵预警控制器及其控制方法，这种预警控制器用以指导地源热泵运行管理，解决地下排热和取热不平衡时而引起的土壤温度变化的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种地源热泵预警控制器，它包括传感器、输入电路、微型计算机、通信电路和输出电路，传感器作为地源热泵预警控制器的信号输入采集地源热泵系统的土壤信号，传感器的信号输出端与输入电路的信号输入端相连，输入电路的信号输出端与微型计算机的信号输入端相连，微型计算机与输出电路的对应输入信号端相连，输出电路作为地源热泵预警控制器的控制信号输出控制地源热泵系统的现场执行机构，微型计算机的通信信号端通过通信电路与地源热泵系统的上位控制机进行通信。

本发明的还包括电源电路、保护电路和显示器，所述的电源电路为控制器提供220V交流电源，微型计算机的显示信号输出端与显示器的信号输入端相连，微型计算机的保护信号端与保护电路的对应信号端相连。

本发明还包括一种地源热泵预警控制方法，它包括以下步骤：

(1)、首先，对地源热泵预警控制器所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置，方位，外形尺寸，层高，门窗尺寸，围护结构材料，房间功能，计算出建筑全年采暖、空调的负荷Q_max；根据该负荷Q_max选择合适的系统配置即埋管数量n，动态模拟计算地源热泵系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到土壤温度变化曲线；

(2)、预警的标准温度曲线。取一个空调采暖周期的土壤温度变化曲线，将一个空调采暖周期后的土壤温度T₂与初始温度T₁比较，得到温度变化量ΔT，若温度变化量ΔT在±0.2℃以内，则模拟计算所得的土壤温度变化曲线作为标准曲线；否则，此时土壤温度场不能保持热平衡，需调整运行方案，即在一个空调采暖周期后，

如果土壤温度T₂-初始温度T₁≥0.2℃，即土壤温度高于初始温度0.2℃以上，减少地埋管的使用；

反之，如果土壤温度T₂-初始温度T₁≤-0.2℃，即土壤温度低于初始温度0.2℃以上，加大地埋管的使用；

重复步骤(2)，直到土壤温度基本平衡即一个空调采暖周期后的土壤温度与初始温度的变化量ΔT在±0.2℃以内，得到地源热泵运行的动态土壤温度标准曲线及标准运行方案；

(3)、采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，即选择满足要求的地埋管使用量，运行过程中，采用地源热泵预警控制器实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵预警控制器的微型计算机；

(4)、将实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线的对应值相减，得到偏差值，若该偏差值在警阈值范围内，继续运行；否则，动态调整地源热泵系统的运行方案，即

如果实际监测的土壤温度高于土壤温度标准曲线对应值的量在警阈值以上，减少地埋管的使用；

反之，如果实际监测的土壤温度低于土壤温度标准曲线对应值的量在警阈值以上，减少地埋管的使用；

重复步骤(4)，直到实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线中对应值的偏差值在警阈值范围内。

本发明的建筑全年采暖、空调的负荷包括以下三部分：

(1)墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷，按下式计算：

CLQ_τ1＝KF(t_l·τ-t_N)

式中，CLQ_τ1--墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷w

k--墙、屋顶或窗的传热系数，W/(m²·K)；

F--外墙、屋顶及窗户的计算面积，m²；

t_N--室内设计温度，℃；

t_l·τ--冷负荷温度逐时值，℃；由GB50019-2003规定。

(2)窗户因日射得热形成的冷负荷按下式计算：

CLQ_τ2＝F_cC_sC_nD_τ·maxC_LQC

式中，F_c--玻璃窗净有效面积，m²；

C_s--窗玻璃的遮挡系数；

C_n--窗内遮阳设施的遮阳系数；

D_τ·max--日射得热因数最大值，W/m²；

C_LQC--冷负荷系数，无因次；

(3)室内热源散热形成的冷负荷按下式计算：

CLQ_τ3＝QC_LQN

式中，Q--人体、照明、设备散热量，W；

C_LQN--相应的人体、照明、设备显热散热冷负荷系数；

建筑全年采暖、空调的负荷将以上三部分相加，得到Q_max＝Q_τ1+Q_τ2+Q_τ3，根据算得的负荷选择合适的系统配置即埋管数量，埋管数量根据下式确定：

$n=\frac{{1000Q}_{\max }}{\mathrm{ql}}$

式中，n--埋管数量；

Q_max--最大吸热量(或放热量)，kw；

q--单位延米换热量，w/m；

l--埋管深度，m。

本发明的警阈值范围是-0.5℃至0.5℃。

本发明的有益效果：

本发明能为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略，根据土壤温度的变化情况决定地埋管和辅助冷/热源(例如冷却塔)的切换，给运行管理人员提供一个有效而方便的参照，同时为解决土壤温度场变化而引起的系统运行不稳定、效率低，以及生态环境的变化等问题起到一定的作用，指导地源热泵系统安全、稳定、高效地运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明方法的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种地源热泵预警控制器，它包括传感器、输入电路、微型计算机、通信电路和输出电路，传感器作为地源热泵预警控制器的信号输入采集地源热泵系统的土壤信号，传感器的信号输出端与输入电路的信号输入端相连，输入电路的信号输出端与微型计算机的信号输入端相连，微型计算机与输出电路的对应输入信号端相连，输出电路作为地源热泵预警控制器的控制信号输出控制地源热泵系统的现场执行机构，微型计算机的通信信号端通过通信电路与地源热泵系统的上位控制机进行通信。本发明的还包括电源电路、保护电路和显示器，所述的电源电路为控制器提供220V交流电源，微型计算机的显示信号输出端与显示器的信号输入端相连，微型计算机的保护信号端与保护电路的对应信号端相连。

图1中电源电路：以电源管理芯片为核心，由稳压、滤波、过压保护、过流保护等部分组成，为输入电路、微型计算机、显示器、输出电路等提供电源；

输入电路：将各种传感器传送来的电压、电流信号，经滤波、I/V转换、过零比较等部分，通过TLV1544芯片完成A/D转换，把被控对象信号量送入微型计算机；

输出电路：由DAC0832芯片完成D/A转换，把微型计算机控制信号转换成模拟信号，送给现场执行机构完成控制动作；

保护电路：采用低功耗集成电路DS1232L作为复位芯片，其在系统失控状态下可以停止和重新启动计算机、计算机掉电或电源电压瞬变时可自动复位计算机、具有自动恢复特性，即复位输出有效后，每隔一段时间能自动使复位失效。

通信电路：本装置与上位机通讯时采用配有光电隔离的RS485、RS232两种通讯接口构成的通信电路，可根据需要进行选择；

如图2所示，一种地源热泵预警控制方法，它包括以下步骤：

(1)、首先，对地源热泵预警控制器所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置，方位，外形尺寸，层高，门窗尺寸，围护结构材料，房间功能，计算出建筑全年采暖、空调的负荷Q_max；根据该负荷Q_max选择合适的系统配置即埋管数量n，动态模拟计算地源热泵系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到土壤温度变化曲线；

(2)、取一个空调采暖周期的土壤温度变化曲线，将一个空调采暖周期后的土壤温度T₂与初始温度T₁比较，得到温度变化量ΔT，若温度变化量ΔT在±0.2℃以内，则模拟计算所得的土壤温度变化曲线作为标准曲线；否则，此时土壤温度场不能保持热平衡，需调整运行方案，即在一个空调采暖周期后，

如果土壤温度T₂-初始温度T₁≥0.2℃，即土壤温度高于初始温度0.2℃以上，减少地埋管的使用；

反之，如果土壤温度T₂-初始温度T₁≤-0.2℃，即土壤温度低于初始温度0.2℃以上，加大地埋管的使用；

重复步骤(2)，直到土壤温度基本平衡即一个空调采暖周期后的土壤温度与初始温度的变化量ΔT在±0.2℃以内，得到地源热泵运行的动态土壤温度标准曲线及标准运行方案；

(3)、采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，即选择满足要求的地埋管使用量，运行过程中，采用地源热泵预警控制器实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵预警控制器的微型计算机；

(4)、将实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线的对应值相减，得到偏差值，若该偏差值在警阈值范围内，继续运行；否则，动态调整地源热泵系统的运行方案，即

如果实际监测的土壤温度高于土壤温度标准曲线对应值的量在警阈值以上，减少地埋管的使用；

反之，如果实际监测的土壤温度低于土壤温度标准曲线对应值的量在警阈值以上，减少地埋管的使用；

重复步骤(4)，直到实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线中对应值的偏差值在警阈值范围内。

本发明的建筑全年采暖、空调的负荷包括以下三部分：

(1)墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷，按下式计算：

CLQ_τ1＝KF(t_l·τ-t_N)

式中，CLQ_τ1--墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷w

k--墙、屋顶或窗的传热系数，W/(m²·K)；

F--外墙、屋顶及窗户的计算面积，m²；

t_N--室内设计温度，℃；

t_l·τ--冷负荷温度逐时值；(由国家标准GB50019-2003规定)

(2)窗户因日射得热形成的冷负荷按下式计算：

CLQ_τ2＝F_cC_sC_nD_τ·maxC_LQC

式中，CLQ_τ2--窗户因日射得热形成的冷负荷w

F_c--玻璃窗净有效面积，m²；

C_s--窗玻璃的遮挡系数；

C_n--窗内遮阳设施的遮阳系数；

D_τ·max--日射得热因数最大值，W/m²；

C_LQC--冷负荷系数，无因次；

(3)室内热源散热形成的冷负荷按下式计算：

CLQ_τ3＝QC_LQN

式中，Q--人体、照明、设备散热量，W；

C_LQN--相应的人体、照明、设备显热散热冷负荷系数；

建筑全年采暖、空调的负荷将以上三部分相加，得到Q_max＝Q_τ1+Q_τ2+Q_τ3，根据算得的负荷选择合适的系统配置即埋管数量，埋管数量根据下式确定：

$n=\frac{1000Q_{\max }}{\mathrm{ql}}$

式中，n--埋管数量；

Q_max--最大吸热量(或放热量)，kw；根据Q_max＝Q_τ1+Q_τ2+Q_τ3计算得到.

q--单位延米换热量，w/m；

l--埋管深度，m。

其中k、t_N、C_s、C_n、D_τ·max、C_LQC、C_LQN、Q、C_LQ根据空调设计手册的规定进行设置，当输入建筑的外形尺寸、层高、，门窗尺寸后，外墙、窗户、屋顶的面积F、玻璃窗净有效面积F_c也就有了，t_l·τ由软件自带数据库提供，由GB50019-2003确定。

本发明的警阈值范围是-0.5℃至0.5℃。

具体实施时：

本发明的这种预警控制器包括三方面的内容：(1)在地源热泵系统运行过程中监测与分析土壤温度变化情况。(2)选择和构建能够全面反映系统安全发展状况和趋势的预警指标，计算出土壤平衡的标准曲线，并且确定预警阈值范围。(3)根据实际监测的土壤温度与标准曲线的偏差，并结合预警阈值范围，来调整地源热泵系统的运行控制策略。

本发明的目的是这样实现的：预警控制器由温度数据实时监控和采集系统、微计算机及安装在微计算机上的控制程序组成。

预警控制体系的实现过程如下：

(1)在地源热泵系统设计期间，对建筑进行全年动态能耗分析，建立地源热泵运行的动态土壤温度标准曲线及标准运行方案。

(2)运行过程中，实时监测土壤温度变化情况。土壤温度的监测依靠埋置在地下的测温热电阻来完成，并且将测得的温度传递给数据监控系统。

(3)控制程序根据实际监测的土壤温度与标准曲线的偏差，并结合预警阈值范围，动态调整地源热泵系统的运行控制策略。

代表不同运行时间点正常状态的温度曲线称为土壤温度标准曲线。标准曲线为地源热泵的实际运行提供一个参照系，提供热平衡的基石。在计算标准曲线时，考虑了两点：一是保持土壤温度平衡；二是保证机组在较高的效率下运行。如果土壤热平衡与系统运行效率产生冲突，首先保证土壤热平衡。

标准曲线给出了兼顾土壤温度平衡和运行效率的因素下，全年土壤温度的变化趋势。如果实测的土壤温度曲线与给定的标准曲线相重合，则证明地源热泵系统达到了理想的运行效果。但是，地源热泵的实际运行总是会受到各种因素的干扰，而使得实际的土壤温度曲线偏离标准曲线。因此，在本发明中还确定了土壤温度的预警阈值范围-0.5℃至0.5℃——实际土壤温度在标准曲线附近允许波动的边界区域。当土壤温度被控制在此范围内时，系统是安全、高效的；而超出此范围则要么系统运行效率降低，或者是易出现土壤温度的不可调、不可逆的变化。

在系统运行的前、中期，如果土壤温度出现的偏差较大，尽管可以通过减少排热，而使土壤温度向标准曲线靠近，但这样需要通过增加冷却塔的运行时间来调整。而这种调节过程如在夏季高温时间延续较长时间，无疑将影响土壤源热泵的整体效率。

在运行的末期温度偏离后，由于后续运行时间已经很短，可调节的空间有限，使土壤温度难以被调整到标准曲线，从而影响到土壤的热平衡。

热泵系统运行的前、中期与末期相比，前者的热量调整余地大，故允许的偏差范围较后者可大一些。经过计算，可以拟定运行前、中期采用同一个温度允许偏差Δt1(0.5℃)，而在运行后期，允许偏差逐渐减少，至夏季结束时，运行偏差限制在Δt2(0.2℃)以内(Δt2＜Δt1)。运行末期的温度偏差可以通过下一个季度的运行进行调节。

在工程的设计阶段就模拟计算出标准曲线，以此作为控制标准。在运行过程中将监测得到的土壤实际温度与标准曲线进行比较，如果在预警阈值范围内，则继续按照原先的运行控制策略运行，如果土壤实际温度超过了预警阈值范围，则要调整运行方案。

本发明能为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略，根据土壤温度的变化情况决定地埋管和辅助冷/热源(例如冷却塔)的切换，给运行管理人员提供一个有效而方便的参照，同时为解决土壤温度场变化而引起的系统运行不稳定、效率低，以及生态环境的变化等问题起到一定的作用，指导地源热泵系统安全、稳定、高效地运行。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种地源热泵预警控制方法，其特征是它包括以下步骤： 

（1）、首先，对地源热泵预警控制器所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置，方位，外形尺寸，层高，门窗尺寸，围护结构材料，房间功能，计算出建筑全年采暖、空调的负荷Q_max；根据该负荷Q_max选择合适的系统配置即地埋管数量n，动态模拟计算地源热泵系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到土壤温度变化曲线； 

其中，建筑全年采暖、空调的负荷Q_max包括以下三部分： 

（a）墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷，按下式计算： 

CLQ_τ1=KF(t_l·τ-t_N) 

式中，CLQ_τ1--墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷w 

k--墙、屋顶或窗的传热系数，W/(m²·K)； 

F--外墙、屋顶及窗户的计算面积，m²； 

t_N--室内设计温度，℃； 

t_l·τ--冷负荷温度逐时值，℃； 

（b）窗户因日射得热形成的冷负荷按下式计算： 

CLQ_τ2=F_cC_sC_nD_τ·maxC_LQC

式中，CLQ_τ2--墙体、屋顶或窗户瞬变传热所形成的逐时冷负荷w 

F_c--玻璃窗净有效面积，m²； 

C_s--窗玻璃的遮挡系数； 

C_n--窗内遮阳设施的遮阳系数； 

D_τ·max--日射得热因数最大值，W/m²； 

C_LQC--冷负荷系数，无因次； 

（c）室内热源散热形成的冷负荷按下式计算： 

CLQ_τ3=QC_LQN

式中，Q--人体、照明、设备散热量，W； 

C_LQN--相应的人体、照明、设备显热散热冷负荷系数； 

建筑全年采暖、空调的负荷Q_max将以上三部分相加，得到Q_max=Q_τ1+Q_τ2+Q_τ3，根据算得的负荷选择合适的系统配置即地埋管数量，地埋管数量根据下式确定： 

式中，n--地埋管数量； 

Q_max--空调的负荷即最大吸热量或放热量，kw； 

q--单位延米换热量，w/m； 

l--地埋管深度，m； 

（2）、确定预警的土壤温度标准曲线：取一个空调采暖周期的土壤温度变化曲线，将一个空调采暖周期后的土壤温度T₂与初始温度T₁比较，得到温度变化量ΔT，若温度变化量ΔT在±0.2℃以内，则模拟计算所得的土壤温度变化曲线作为标准曲线；否则，此时土壤温度场不能保持热平衡，需调整运行方案，即在一个空调采暖周期后， 

如果土壤温度T₂-初始温度T₁≥0.2℃，即土壤温度高于初始温度0.2℃以上，减少地埋管的使用； 

反之，如果土壤温度T₂-初始温度T₁≤-0.2℃，即土壤温度低于初始温度0.2℃以上，加大地埋管的使用； 

重复步骤（2），直到土壤温度基本平衡即一个空调采暖周期后的土壤温度T₂与初始温度T₁的变化量ΔT在±0.2℃以内，得到地源热泵运行的土壤温度标准曲线及标准运行方案； 

（3）、采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，即选择满足要求的地埋管使用量，运行过程中，采用地源热泵预警控制器实时监测土壤温度变 化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵预警控制器的微型计算机； 

（4）、将实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线的对应值相减，得到偏差值，若该偏差值在警阈值范围内，继续运行；否则，动态调整地源热泵系统的运行方案，即: 

如果实际监测的土壤温度减去土壤温度标准曲线对应值后所得到的偏差值大于等于警阈值范围的上限最大值，减少地埋管的使用； 

反之，如果实际监测的土壤温度减去土壤温度标准曲线对应值后所得到的偏差值小于等于警阈值范围的下限最小值，加大地埋管的使用； 

重复步骤（4），直到实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线中对应值相减后得到的偏差值在警阈值范围内。

2.根据权利要求1所述的地源热泵预警控制方法，其特征是警阈值范围是–0.5℃至0.5℃。

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