CN102155829B - 地源热泵自适应热平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

一种地源热泵自适应热平衡控制系统，室内供热空调设备的水管出口连接地源热泵室内侧循环泵，地源热泵室内循环泵出口连接地源热泵机组的室内进口，地源热泵机组的室内出口连接室内供热空调设备，地源热泵机组的室内进口连接地源热泵室外侧循环泵，地源热泵机组的室外出口连接地埋管和辅助换热设备，地埋管和辅助换热设备为并联连接，地埋管和辅助换热设备的出口均与地源热泵机组的室外进口连通，控制系统还包括室外湿球温度传感器、地埋管进出水温度传感器、地埋管水管流量计和用以基于热量平衡控制地埋管环路切换阀和换热设备环路切换阀动作的热平衡自适应控制器。本发明可提高地源热泵系统运行效率、提升热平衡控制效果。

Description

地源热泵自适应热平衡控制系统

技术领域

本发明涉及一种地源热泵控制系统。

背景技术

随着我国经济的发展，人民生活水平不断提高，供热与空调的能耗在能源结构中所占的比例也越来越大。在建筑节能中，供热与空调节能的意义变得越来越重要。在普通供热与空调系统中，夏季制冷、冬季供热各自独立运行，且能源结构多为常规能源，制冷、供热效率低，环境污染大。热泵可以从低温环境吸热，向高温环境放热，通过简单的阀门切换就可以实现制冷或制热。热泵的制冷、制热效率高，而且对环境基本没有污染。随着热泵技术的成熟与应用的普及，在我国利用热泵技术为中央空调提供冷热源已成为最有前途的节能环保技术。

地埋管地源热泵也称为土壤源热泵，它一般采用埋在土壤下50～100米深度的塑料管(内部为水或含防冻剂的水溶液)与土壤进行热交换，在夏季提供冷冻水，在冬季提供热水供空调及生活热水使用。地埋管地源热泵系统采用地埋管换热器内循环水换取土壤中贮存的温差能，没有对自然水源的开采和污染的担心，因此适用性更广，安全稳定性更高，尤其在夏热冬冷地区不失为一种新的节能型空调冷热源。

浙江省属于夏热冬冷地区，其夏季负荷比冬季负荷大约要高2～4倍。由于夏季地埋管热泵向地下排热时，排热量大约为室内制冷量的1.25倍；而冬季从土壤中吸热时，吸热量大约为室内供热量的70％，这使浙江省应用的地埋管地源热泵冬夏季土壤中排热、吸热量的比值达到了大约3～6倍。此外，浙江地区建筑物夏季供冷的时间要比冬季供暖的时间长约2个月，这进一步加大了地下热量积累的不均衡。这样，系统运行一年后积累的热量会引起土壤温度逐年上升，严重时会造成夏季高峰负荷期地埋管换热器内循环冷却水温度达40℃以上，引起热泵机组制冷效率大幅降低甚至不能正常运行。可以说，土壤热平衡问题已经称为制约地埋管地源热泵推广应用的最大阻碍。

目前国内有不少文献对地源热泵热平衡的控制策略问题进行了研究，主要存在的问题有：1、没有提出完整的系统性的控制理论及控制系统；2、没有提出地下吸排热量的累计分析，这样就不能真正掌握地下热平衡的控制效果；3、不能够分析对比垂直地埋管及辅助换热设备的冷却效果；4、不能自动适应控制不同的冬夏吸排热量情况。本发明提出的地源热泵自适应热平衡控制系统填补了这一空白。

发明内容

为了克服已有地源热泵控制系统的运行效率较低、热平衡控制效果差的不足，本发明提供一种提高运行效率、提升热平衡控制效果的地源热泵自适应热平衡控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种地源热泵自适应热平衡控制系统，室内供热空调设备的水管出口连接地源热泵室内侧循环泵，所述地源热泵室内循环泵出口连接地源热泵机组的室内进口，所述地源热泵机组的室内出口连接室内供热空调设备，所述地源热泵机组的室内进口连接地源热泵室外侧循环泵，地源热泵机组的室外出口连接地埋管和辅助换热设备，所述地埋管和辅助换热设备为并联连接，地埋管和辅助换热设备的出口均与地源热泵机组的室外进口连通，所述地埋管设有地埋管环路切换阀，所述辅助换热设备设有换热设备环路切换阀，所述控制系统还包括室外湿球温度传感器、地埋管进、出水温度传感器、地埋管水管流量计和用以基于热量平衡控制地埋管环路切换阀和换热设备环路切换阀动作的热平衡自适应控制器；所述热平衡自适应控制器包括：

初始化模块，用以预设土壤冬季吸热量值为效率优先模式的切换策略，当夏季开始运行时，打开地埋管环路切换阀，关断换热设备环路切换阀，地埋管运行，依照效率优先模式运行：当地埋管出水温度th高于室外湿球温度tb+a℃时，其中，a的取值范围为3～7℃，关断地埋管环路切换阀和打开换热设备环路切换阀，控制所述辅助换热设备运行设定时间段，再循环切换到地埋管运行；

依照地埋管进出水温度传感器、地埋管水管流量计累计夏季土壤排热量，当所述夏季土壤排热量达到预设土壤吸热量值时，控制关断地埋管环路切换阀和打开换热设备环路切换阀，当冬季运行时，打开地埋管环路切换阀，关断换热设备环路切换阀，依照地埋管进出水温度传感器、地埋管水管流量计累计冬季土壤吸热量；

热平衡自适应控制模块，用以根据上年度的夏季土壤排热量和冬季土壤吸热量，如果上一年度夏季土壤排热量Qd大于冬季土壤吸热量Qx，则换热量差ΔQ＝Qd-Qx，第二年夏季运行的效率优先模式的切换阈值为夏季运行累计热量达到Qd-ΔQ×2；如果上一年度夏季土壤排热量Qd小于冬季土壤吸热量Qx，则第二年夏季运行时切换温度自动上调1℃

进一步，所述初始化模块中，效率优先模式运行时，当地埋管出水温度≤32℃时，所述辅助换热设备运行设定时间段为1天；当地埋管出水温度大大于32℃时，辅助换热设备运行设定时间段按以下公式进行：

T_cooler＝b(t_out-32)+1

式中，T_cooler为连续运行时间段，天；b为每度温差调节的运行天数，取值范围为0.1～3，天/℃；t_out为土壤出水温度。

再进一步，所述地埋管连接地埋管进水温度传感器，所述辅助换热设备连接辅助换热设备出水管水温传感器。

本发明的技术构思为：它能够自动选择地埋管与辅助换热设备的切换时机及时间，使夏季土壤排热量与冬季供热时土壤吸热量大致相等，达到冬夏热平衡的状态。该系统可有效解决地源热泵长期运行时土壤的温度发生过大变化的问题，提高地源热泵的运行效率，改善地源热泵空调系统的运行效果，具有较大的节能潜力、实用性和推广性。

本发明的有益效果主要表现在：可有效解决地源热泵长期运行时土壤的温度发生过大变化的问题，提高地源热泵的运行效率；系统包括控制部分和执行器部分，控制逻辑严密、内容完整；提出了地源热泵热平衡自动控制策略的两个基本运行模式：效率优先模式和热平衡补偿模式；能够自动分析并确定热平衡两个运行模式的切换时机，避免了人工操作的不准确性。

本发明适用于全年地下排热量大于吸热量的夏热冬冷低区。

附图说明

图1是地源热泵热平衡自适应控制系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种地源热泵自适应热平衡控制系统，室内侧环路：室内供热空调设备9的水管出口连接地源热泵室内侧循环泵10，循环泵10出口连接地源热泵机组11，地源热泵机组11的出口连接室内供热空调设备9。室外侧环路：地源热泵机组11进口连接地源热泵室外侧循环泵12，机组11出口连接地埋管13和辅助换热设备14(地埋管13和辅助换热设备14为并联连接)，地埋管13和辅助换热设备14的出口连接地源热泵机组11。

热平衡自适应控制器1的输入端接入室外湿球温度传感器2，地埋管进水温度传感器3，地埋管出水温度传感器4，地埋管水管流量计5，辅助换热器出水管水温传感器6；输出端连接换热设备环路切换阀7，地埋管环路切换阀8。

控制系统的基本工作过程为：在夏季空调或冬季供暖启动时期，地源热泵系统首先通过地埋管进行吸热或排热，这时辅助换热设备关闭。控制器根据效率优先原则进行智能分析，选择时机开启冷却塔等辅助散热设备转移排入地下的热量，并累计分析夏季排热量与冬季吸热量相对大小，使进入土壤的冬夏吸排热量达到平衡状态。

控制系统具有以下主要功能及控制策略：

系统总开关功能。能够控制地源热泵系统各个设备(包括地源热泵、循环水泵、冷却塔风机等)的启动和停止。

日历及负荷累计功能。具备日历、计时功能。具备地埋管排热量和吸热量的累计功能。

地区选项。分夏季排热量大于冬季吸热量和夏季排热量小于冬季吸热量两类地区。前者一般是夏热冬冷地区。后者为夏热冬冷地区以北至寒冷地区。

预设功能(是第一年系统切换的依据，第二年预设功能不起作用)

(1)建筑类型选项：

建筑类型主要用于预设每天及每周的运行时间，以便系统估算全年累计的空调负荷。建筑类型分为办公类：酒店类：住宅类：商场类、车站类等5类。

(2)运行时段选项：

系统默认办公楼和宾馆夏季运行时间为5月1日～9月30日，冬季运行时间为12月15日～2月25日。住宅夏季运行时间为5月15日～9月15日，冬季运行时间为12月25日～2月25日。

(3)预设建筑物的冬夏空调设计负荷。

(4)辅助散热运行模式：整体切换模式：室外侧换热全部切换到辅助换热设备。

辅助散热设备切换策略：效率优先模式，采用冷却塔辅助散热的系统，可根据室外湿球温度tb和地埋管出水温度th来判断切换时机。冷却塔额定工况的冷却水温大约为为tb+4℃，当地埋管出水温度th高于tb+a℃时，其中，a的取值范围为3～7℃，可以认为此时采用冷却塔冷却比地埋管冷却的水温更低，系统效率更高。我们将tb+a℃称为切换温度。故当地埋管出水温度th≤32℃时，效率优先模式采用等温差切换策略，即当地埋管出水温度th高于tb+a℃时切换到冷却塔运行。

由于冷却水温低到一定程度将逐渐失去对于机组效率的提高，同时为保证夏季地埋管一定的运行时间以避免产生负偏差，控制系统设定当地埋管出水高于25℃时才允许切换到冷却塔运行。冷却塔连续运行24h以后自动切换到地埋管运行。地埋管的切换必须在连续运行24h以后。这样系统就自动把效率优先模式的运行时间限制在50％以下。

当土壤出水温度上升超过32℃以上时，冷却塔等温差切换策略改为递进温差切换策略，连续运行时间按以下公式进行：

T_cooler＝b(t_out-32)+1

式中T_cooler为冷却塔连续运行时间，天；b为每度温差调节的运行天数，取值范围为0.1～3，天/℃；t_out为土壤出水温度。递进温差切换切换策略使土壤出水温度每上升1℃，冷却塔的运行时间就增加0.5天。

(1)第一年切换策略

夏季开始运行后，系统首先根据效率优先的模式不定期切换到辅助散热设备，同时累计夏季向土壤中的排热量。当达到土壤排热量与预计的土壤冬季吸热量相等时(如果因效率优先模式导致夏季排热负荷还不如冬季吸热负荷，则夏季不会出现补偿运行)，全部切换到冷却塔运行，这时为补偿运行模式，效率优先模式失效，一直到夏季工作结束。

对于夏热冬冷地区类型，冬季运行无补偿。

(2)第二年以后切换策略

如果经历了冬季、夏季两个季节，则进入第二年以后切换策略。根据上一次夏季和冬季累计的负荷(超过两年则计算平均值)作为热平衡比较的依据。如果误差小于10％则不进行切换策略修正。对于夏热冬冷地区类型，有：

1)如果上一年度夏季排热量Qd大于冬季吸热量Qx，则换热量差ΔQ＝Qd-Qx。计算不平衡率：P＝ΔQ/Qd，夏季的补偿运行模式切换时机为夏季运行累计热量达到Qd-ΔQ×2。经过第二年的反向补偿运行，第三年就可以实现准平衡状态。

2)如果因效率优先模式导致夏季土壤排热负荷低于冬季吸热负荷，则第二年夏季运行时切换温度自动上调1℃。

本实施例中，在夏季空调时期，地源热泵系统首先通过地埋管向土壤中排热，这时地埋管环路切换阀8开启，换热设备环路切换阀7关闭。控制器1根据传感器2测量室外空气湿球温度来测算辅助换热设备14的模拟出水温度，并与传感器3测量的地埋管出水温度进行比较，依据效率优先原则进行智能分析，选择时机开启换热设备环路切换阀7，并关闭地埋管环路切换阀8(对于辅助散热运行模式为室外侧换热地埋管与辅助换热设备联合运行的部分切换模式，切换阀8不关闭)，将排入土壤中的全部或部分热量通过辅助换热设备排除。控制器同时根据传感器4测量地埋管进水管温度，流量计5测量地埋管水管循环流量，运算并累计通过地埋管13排入地下的热量，以保证冬夏地下热平衡为目标，自动切换到选择补偿运行模式(即全部通过辅助换热设备排热)的时机。

在冬季供暖时期，地源热泵地源热泵系统通过地埋管从土壤中吸热，这时地埋管环路切换阀8开启，辅助换热设备环路切换阀7关闭。控制器同时根据传感器3、4测量地埋管进、出水管温度，流量计5测量地埋管水管循环流量，运算并累计通过地埋管13排入地下的热量，作为夏季运行时保持地下热平衡的依据。

按照常规设计的地埋管地源热泵夏季最高出水温度应为35℃，实际工程水温达到40℃的也时有发生。在夏季额定室外气温35℃条件下，采用热平衡控制系统后理论上可以保证夏季地源热泵系统的效率与水冷式系统相近，制冷COP可以达到3.5～4.0以上。冬季室外气温4℃条件下，地源热泵在不受热平衡偏差影响的情况下，制热COP可以达到3.5以上。

经对多个国内合资及独资企业生产的空气源热泵性能统计对比，对应工况下制冷COP平均为2.7，制热COP平均为2.2。

据此可以推算，夏季地源热泵制冷效率比空气源热泵至少高(3.5-2.7)/2.7×100％＝26％。冬季地源热泵制热效率比空气源热泵高(3.5-2.2)/2.2×100％＝59.1％。

Claims (3)

1.一种地源热泵自适应热平衡控制系统，室内供热空调设备的水管出口连接地源热泵室内侧循环泵，所述地源热泵室内循环泵出口连接地源热泵机组的室内进口，所述地源热泵机组的室内出口连接室内供热空调设备，所述地源热泵机组的室内进口连接地源热泵室外侧循环泵，地源热泵机组的室外出口连接地埋管和辅助换热设备，所述地埋管和辅助换热设备为并联连接，地埋管和辅助换热设备的出口均与地源热泵机组的室外进口连通，所述地埋管设有地埋管环路切换阀，所述辅助换热设备设有换热设备环路切换阀，其特征在于：所述控制系统还包括室外湿球温度传感器、地埋管进、出水温度传感器、地埋管水管流量计和用以基于热量平衡控制地埋管环路切换阀和换热设备环路切换阀动作的热平衡自适应控制器；所述热平衡自适应控制器包括：

初始化模块，用以预设土壤冬季吸热量值为效率优先模式的切换阈值，当夏季开始运行时，打开地埋管环路切换阀，关断换热设备环路切换阀，地埋管运行，依照效率优先模式运行：当地埋管出水温度th高于室外湿球温度tb+a℃时，其中，tb为室外湿球温度，a的取值范围为3～7℃；关断地埋管环路切换阀和打开换热设备环路切换阀，控制所述辅助换热设备运行设定时间段，再循环切换到地埋管运行；

依照地埋管进、出水温度传感器、地埋管水管流量计累计夏季土壤排热量，当所述夏季土壤排热量达到预设土壤吸热量值时，控制关断地埋管环路切换阀和打开换热设备环路切换阀，当冬季运行时，打开地埋管环路切换阀，关断换热设备环路切换阀，依照地埋管进、出 水温度传感器、地埋管水管流量计累计冬季土壤吸热量；

热平衡自适应控制模块，用以根据上年度的夏季土壤排热量和冬季土壤吸热量进行控制，如果上一年度夏季土壤排热量Qd大于冬季土壤吸热量Qx，则换热量差△Q＝Qd-Qx，第二年夏季运行的效率优先模式的切换阈值为夏季运行累计热量达到Qd-△Q×2；如果上一年度夏季土壤排热量Qd小于冬季土壤吸热量Qx，则第二年夏季运行时地埋管出水温度th=th+1。

2.如权利要求1所述的地源热泵自适应热平衡控制系统，其特征在于：所述初始化模块中，效率优先模式运行时，当地埋管出水温度≤32℃时，所述辅助换热设备运行设定时间段为1天；当地埋管出水温度大于32℃时，辅助换热设备运行设定时间段按以下公式进行：

T_cooler＝b（t_out-32）+1

式中，T_cooler为连续运行时间段，天；b为每度温差调节的运行天数，取值范围为0.1～3，天/℃； t_out为土壤出水温度。

3.如权利要求1或2所述的地源热泵自适应热平衡控制系统，其特征在于：所述地埋管连接地埋管进、出水温度传感器、地埋管水管流量计，所述辅助换热设备连接辅助换热设备出水管水温传感器。 

Images