CN102840725A - 地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统和控制方法，它提出针对各别地源热泵复合系统的具体特点、结合当地的气象参数，通过对整个系统全年运行的动态模拟和优化来确定控制策略和特定的控制参数。控制系统以热泵冷凝器出口流体温度与大气湿球温度之差为主要控制变量，以热泵冷凝器入口流体温度为辅助控制变量，通过优化控制冷却塔的启停，使其与地埋管换热器配合实现地源热泵复合系统的节能运行，并保证地下环境全年的冷热负荷平衡。为此，给出了该控制系统的具体构成和控制逻辑。为校核地下环境的冷热平衡，本发明的控制系统中还包括了累计地埋管换热器冷热量的检测装置。

Description

地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种为建筑提供供热和空调的、由地埋管换热器和辅助散热装置冷却塔组成的地源热泵复合系统的控制技术，特别是涉及为实现地埋管换热器全年冷热负荷平衡和地源热泵复合系统节能优化运行的控制系统和控制方法。

背景技术

地埋管地源热泵系统通过在地下埋设管道，构成“地热换热器”，使大地成为热泵系统的冷热源，满足夏天制冷、冬天供暖和供应生活热水的需要，并达到节能运行的目的，可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO₂和其它燃烧产生的污染物的排放，是一项节能、节水、无污染、可再生的绿色环保制冷供热新技术。

常见的地源热泵系统通过闭环式地埋管换热器夏季向土壤释放热量、冬季从土壤中吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。建筑物的冷热负荷与建筑物所处位置的气候条件和建筑物自身结构及使用情况有关，通常情况下地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。北方建筑物热负荷远大于冷负荷，而南方情况则相反。如果地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷量）就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化。对于冬冷夏热地区的居住建筑和办公建筑，以及大量非严寒地区的大型商用建筑，它们的冷负荷比热负荷大得多，是冷负荷占优势的，也就是热泵系统全年排出的热量远大于吸收的热量。单一的地埋管换热器作为系统的冷热源将使从土壤中提取的热量和排入土壤的热量不平衡，长期作用会使土壤温度升高进而使热泵夏季进水温度升高，从而降低系统性能，甚至使系统失效。因此冷负荷占优势的建筑中应使用地源热泵复合系统，按建筑物热负荷设计地埋管换热器，通过使用冷却塔或其他辅助散热装置来排除建筑物多余的冷负荷，使地埋管换热器全年的冷热负荷平衡。开式或闭式冷却塔是地源热泵复合系统中最常见的辅助散热装置。由于按较小的热负荷设计地埋管换热器的长度，减小了地埋管换热器的埋管长度，降低了系统的初投资并通过补偿地埋管负荷的年不平衡改善了系统性能。此外，由于减小了地埋管换热器的埋管长度，地源热泵复合系统还可用在因地质条件和地面面积限制没有足够的空间安装能满足建筑物冷负荷的地埋管换热器的场合。

与大多数实时参数控制的系统不同，地源热泵复合系统一方面其运行条件是瞬时变化的，但是其控制目标是其系统运行全年累积的效应；这就为设定系统的实时控制策略造成很大的困难，以至于现有的有关该复合系统的技术成果和专利中都没有提出能切实解决地下环境全年的冷热平衡和系统的节能优化为目标的系统控制策略和方案。

针对地埋管加冷却塔的地源热泵复合系统及其冷热负荷平衡控制问题，已经有了一些专利：“一种冷却塔辅助土壤源热泵供冷系统的优化控制装置，申请号：200720097110.X”是内容上与本专利申请最接近的一个。但是该专利申请的主要篇幅用于描述复合系统的硬件构成，在系统的控制策略上存在明显的不足。该专利提出以实测的系统负荷以及热泵和冷却塔的进出口水温决定系统运行模式间的切换，对所有的系统设置和气象条件都规定控制参数的上下域值为9℃和5℃。这样的控制策略完全没有考虑地埋管换热器全年冷热负荷平衡的问题，虽然因为有冷却塔的辅助散热作用必定会减轻地下的不平衡，但无法通过这种控制保证地埋管换热器的冷热负荷平衡。此外，该专利在控制逻辑中假定地埋管换热器和冷却塔的散热能力都是常数，也显然与它们的设计运行规律不符。在本申请的控制方法中将针对各别地源热泵复合系统的具体特点并结合当地的气象参数，通过对整个系统全年运行的动态模拟，以地埋管换热器全年冷热负荷平衡和系统的节能运行为目标进行系统优化，来确定控制策略和特定的控制参数的域值。通过建立系统动态数学模型，对系统全年运行进行动态模拟和优化。在大量计算和研究的基础上，本申请提出以热泵冷却水出口温度与室外湿球温度之差（该参数是影响冷却塔效率的关键参数）为主要控制参数，以热泵冷却水进口温度（该参数是保证热泵可靠运行和决定热泵能效的关键参数）为辅助控制参数。这些参数及其域值的设定都是针对特定系统由动态模拟和优化来决定的。因此，从控制方法的总体思路以及具体方法上看，本申请与上述专利有本质的差别。

“地源热泵自适应热平衡控制系统，申请号：201110076045.3”提出以地埋管出口温度与室外湿球温度之差为控制参数，人为设定控制的域值为3-7℃。为了实现地下的冷热负荷平衡，通过对前一年运行数据的实测，对下年的运行策略进行调整，称之为“自适应”。这种方法需要对系统进行数年的调整，而且无法顾及系统的节能优化运行控制。

“一种地源热泵系统热平衡率测试仪，申请号：201120269506.4”单纯通过实测地埋管换热器全年累积的冷热负荷，“供后续进行相应改进”，没有提出控制方法和策略。应该指出，本专利申请提出的控制系统也包括了累计冷热量的检测装置，但只是作为对理论模型和控制效果的校核作用，确保控制系统的可靠性，不成为控制方法的主体。

“竖直地埋管式地源热泵热水及空调系统，申请号：201120361977.8”提出了对冷负荷远大于热负荷的地源热泵系统采用带冷却塔的复合系统，对于控制问题，仅提出由控制系统控制阀门的启停，没有提出实质性的控制方案。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，它作为一个组成部分服务于包括热泵、地埋管换热器、冷却塔、室内空调系统的地源热泵复合系统。

本发明通过优化控制地源热泵复合系统中的辅助散热装置冷却塔的启停，使其与地埋管换热器配合实现地源热泵复合系统的节能运行，并保证地下环境全年的冷热基本平衡。本发明提出针对各别地源热泵复合系统的具体特点、结合当地的气象参数，通过整个系统全年运行的动态模拟和优化来确定控制策略和特定的控制参数。控制系统采用以热泵、地埋管及冷却塔为被控对象，以热泵冷凝器出口流体温度与大气湿球温度之差为主要控制变量，以热泵冷凝器入口流体温度为辅助控制变量，构成控制逻辑。各控制参数数值的设定需要根据当地特定的气象参数、建筑负荷和系统的配置经过系统动态优化模拟得到，应该作为应用于实际系统的工程控制软件中输入的设定参数。为校核地下环境的冷热平衡，控制系统还包括了累计冷热量的检测装置。

一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，它包括安装在热泵冷凝器出口、热泵冷凝器入口处流体的温度传感器，安装在冷却塔室外的测量空气湿球温度的湿球温度传感器，以热泵出口流体温度与室外湿球温度之差作为主控制参数送入控制器，以热泵进口流体的温度作为辅助控制参数，送入控制器；

在地埋管换热器出口和入口设置累计流体冷热量的检测和校核装置，获取地埋管换热器中的流体累计冬季从土壤中提取的热量和地埋管换热器中的流体累计夏季排入土壤的热量，作为地埋管换热器全年冷热负荷平衡的校核信号；

控制器根据采集的各温度数据分别控制冷却塔开启或关闭。

所述累计冷热量的检测和校核装置包括测量地埋管换热器出口和入口水温的的热电阻及测量地埋管换热器流量的流量传感器。

所述控制器采用DDC方式控制冷却塔启动和停止，控制器与打印装置、显示和外部设置装置连接。

所述在地埋管换热器和热泵之间设有冷却水循环水泵，在热泵冷凝器入口处设有冷冻水循环水泵，在板式换热器和冷却塔之间设有水泵，冷却塔的顶部设有风机，冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、水泵和风机均与控制器连接。

所述冷却塔开启时先开启水泵，再开启风机，所述冷却塔停止时，先关闭风机，再关闭水泵。

基于所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统的一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制方法，它根据建筑的负荷特性、气象参数以及地源热泵复合系统的设置，以全年地下环境的冷热平衡和地源热泵复合系统的节能优化为目标，对整个地源热泵复合系统的全年运行进行动态模拟和优化，确定控制策略和控制参数，以热泵出口流体温度与空气湿球温度之差为主要控制参数，以热泵进口流体温度为辅助控制参数；各控制参数数值的设定需要根据当地特定的气象参数、建筑负荷和系统的配置经过地源热泵复合系统动态优化模拟得到，作为应用于各别实际系统的工程控制软件中输入的设定参数。

所述一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制方法，具体步骤为：

步骤一：采集热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb；

步骤二：对热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb进行相应比较，比较结果进行控制冷却塔的开启和关闭；冷却塔保持关闭，则返回步骤一，若开启冷却塔进入步骤三；

步骤三：开启冷却塔，采集热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb；

步骤四：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与热泵冷凝器出口流体温度T_HPO相减所得结果与S1-Δ相比较，若大于S1-Δ则保持冷却塔运行，若小于S1-Δ则跳转步骤五；

步骤五：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与S1-Δ相比较，若大于S1-Δ则保持冷却塔运行然后返回第五步，若小于S1-Δ测关闭冷却塔，关闭冷却塔后返回步骤一。

所述步骤二的具体步骤为：

（2-1）：若热泵冷凝器出口流体温度T_HPO大于热泵冷凝器入口流体温度T_HPI，则跳转至（2），否则保持冷却塔关闭，然后返回步骤一；

（2-2）：热泵冷凝器出口流体温度T_HPO与室外湿球温度T_wb相减，然后与S1比较，若大于S1，则开启冷却塔，若小于则跳转（2-3）；

（2-3）：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与S2比较，若大于S2则开启冷却塔；若小于S2则保持冷却塔关闭，然后返回步骤一。

本发明的有益效果：

采用本发明的控制技术可以充分发挥地埋管和冷却塔在地源热泵复合系统中的效能，有效降低地源热泵复合系统的运行能耗、优化地源热泵复合系统的经济性，同时保证地下环境全年的冷热平衡，确保地源热泵复合系统长期可靠运行。

附图说明

图1为典型的地埋管及冷却塔地源热泵复合系统结构示意图；

图2为地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制流程图；

图3为地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统框图。

其中，1.热泵，2.地埋管换热器，3.风机盘管，4.冷冻水循环水泵，5.冷却水循环水泵，6.高位水箱，7.板式换热器，8.冷却塔，9.双位控制器I，10.双位控制器II，11.控制器，12.选择器，14.变送器II，15.变送器I。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，它作为一个组成部分服务于包括热泵1、地埋管换热器2、冷却塔8、室内空调系统的地源热泵复合系统，实现为建筑供热和空调的目的，所述室内空调系统有风机盘管3组成，其中，地埋管换热器2、热泵1和风机盘管3还分别与高位水箱6连接。

所述在地埋管换热器2和热泵1之间设有冷却循环水泵5，在热泵1冷凝器入口处设有冷冻水循环水泵4，在板式换热器7和冷却塔8之间设有水泵，冷却塔8的顶部设有风机，冷却水循环水泵5、冷冻水循环水泵4、水泵和风机均与控制器连接

所述冷却塔8开启时先开启水泵，再开启风机，所述冷却塔8停止时，先关闭风机，再关闭水泵。

1．地埋管/冷却塔地源热泵复合系统优化控制的方法

首先，需要对特定地区的特定建筑物计算其全年逐时空调负荷，这部分的工作已有成熟的商用软件可以采用，包括我国自主开发的DEST软件。

其次，对整个地源热泵复合系统的各组成部分，即热泵1、地埋管换热器2、辅助散热设备建立计算用数学模型，编写程序对各模块进行全年逐时运行数据计算，实现对整个地源热泵复合系统的全年能耗模拟。

然后，调整地源热泵复合系统的地热换热器与辅助散热设备的冷量配比，对于同一建筑物选用不同的地源热泵复合系统的设计，做全年逐时运行能耗模拟，计算出其运行费用及地源热泵复合系统初投资，对地源热泵复合系统进行优化选择。

最后，对于特定的地源热泵复合系统通过改变辅助散热设备的运行控制策略和控制参数，通过对整个地源热泵复合系统的全年逐时模拟计算，进行多方案比较和计算寻优，确定出保证地下冷热负荷平衡并实现最经济系统运行的控制策略和控制参数。

2．控制系统的构成

本发明主要针对热泵制冷工况的散热以地埋管换热器2为主、以冷却塔8为辅的地源热泵复合系统；从控制角度分析，地埋管换热器2和冷却塔8地源热泵复合系统具有多干扰性和多工况性的特点。为了实现全年地下环境的冷热平衡和系统的节能优化，根据建立的地源热泵复合系统优化控制理论的动态模拟计算结果确定的具体运行控制策略为：

（1）整个地源热泵复合系统冷启动时，打开地埋管换热器2，关闭冷却塔8，待地源热泵复合系统启动30分钟后进入正常控制程序。

（2）控制系统运行于制冷工况即热泵1冷凝器出口流体温度（T_HPO）高于热泵1冷凝器入口流体温度（T_HPI）时，当热泵1冷凝器出口流体温度T_HPO与室外湿球温度T_wb之差大于S1℃时开启冷却塔8，使用冷却塔8与地埋管换热器2共同作为冷源；差值小于S1-Δ℃时关闭冷却塔8，仅使用地埋管换热器2作为冷源。S1是主要控制参数的启动值，Δ为控制参数的变动域值。

（3）当T_HPI高于S2℃时开启冷却塔8，低于S2-Δ℃时关闭冷却塔8，以保证热泵1机组的正常运行。S2是辅助控制参数的启动值，Δ为控制参数的变动域值。

上述冷却塔启停控制策略（3）为控制策略（2）的补充条件，其控制逻辑为：

i)冷却塔开启前：当控制策略（2）判定需开启冷却塔8时，开启冷却塔8；当策略（2）、（3）都判定需要开启冷却塔8时，开启冷却塔8；当控制策略（2）判定无需开启冷却塔8，但控制策略（3）判定需要开启冷却塔8时，开启冷却塔8；

ii)冷却塔8开启后，当控制策略（2）判定需关闭冷却塔8，但控制策略（3）判定需开启冷却塔8时，保持冷却塔8继续运行；只有当控制策略（2）和（3）都判定需关闭冷却塔8时，关闭冷却塔8。

控制参数S1、S2和Δ需要根据特定的当地的气象参数、建筑负荷和系统的设计由所述的优化模拟得到，应该作为应用于实际系统的工程控制软件中输入的设定参数；整个控制系统的控制逻辑如图2所示。

地埋管换热器2和冷却塔8地源热泵复合系统的控制系统采用自动选择控制系统，其原理框图如图3所示。控制系统采用微机控制的直接数字控制（DDC），属于反馈控制，以热泵1及冷却塔8为被控对象。以热泵1冷凝器出口流体温度与室外湿球温度之差（T_HPO-T_wb）为主要控制变量，以热泵1冷凝器入口流体温度（T_HPI）为辅助控制变量。对冷却塔8开关电路采用两个双位控制器以实现呆滞区为Δ的冷却塔8启停控制。

控制系统的执行器采用DDC方式来控制电动机和电动闸阀，以控制冷却塔8的启停。冷却塔8的启停顺序为：开启时先开启水泵P1，再开启塔顶风机F1，停机时先关闭塔顶风机F1，再关闭水泵P1。

控制系统的传感器主要包括以下几种，其具体安装位置如图1所示：

1）测量冷却塔处室外空气湿球温度的湿球温度传感器；

2）测量地埋管换热器出入口水温、热泵冷凝器及蒸发器出入口水温、冷却塔出口水温的热电阻（可采用铠装PT100热电阻）；

3）测量地埋管换热器流量及冷却塔流量的传感器（可采用涡轮流量计）；

4）测量冷却水的冷却水循环水泵5、冷冻水的冷冻水循环水泵4及热泵1机组运行功率的功率传感器（可结合使用电流互感器和三相有功功率变送器）。

3.冷热量校验装置

如图1所示，为典型的地埋管及冷却塔地源热泵复合系统结构示意图，典型的地埋管和冷却塔地源热泵复合系统包括热泵1，、地埋管换热器2、风机盘管3、冷冻水循环水泵4、冷却水循环水泵5、高位水箱6、板式换热器7和冷却塔，地源热泵复合系统安装了独立的累计冷热量的检测和校核装置，用于分别计量通过地埋管换热器夏季排入土壤的热量和冬季从土壤中提取的热量，以验证理论模型和控制策略，确保地源热泵复合系统在实际运行中实现全年地下环境的冷热平衡。

累计冷热量的检测和校核装置包括测量地埋管换热器出入口水温的热电阻，和测量地埋管换热器流量的流量传感器。这些传感器采集的信号通过A/D转换后被送入微型工控机中计算冷热量。当入口水温低于出口水温时，累计入冬季从土壤中提取的热量（冷量）；当入口水温高于出口水温时，累计入夏季排入土壤的热量（热量）。通过比较系统运行一年后（经过一个采暖季和一个供冷季）冷热量累计数值的大小来判定地下环境的冷热平衡情况。

如图3所示，一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统中的温度传感器分别采集热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和热泵冷凝器入口流体温度T_HP1，温度传感器将采集到的温度T_HPO和T_HP1经A/D转换分别送入变送器II14和变送器I15，通过变送器I15和变送器II14的数据经相应处理之后得到的结果分别控制双位控制器II10、双位控制器I9和控制器11，双位控制器I9和双位控制器II10和控制器11控制选择器12，选择器12根据相应双位控制器和控制器11的信息控制冷却塔8，冷却塔8与热泵1连接。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，其特征是，它包括安装在热泵冷凝器出口、热泵冷凝器入口处流体的温度传感器，安装在冷却塔室外的测量空气湿球温度的湿球温度传感器，以热泵冷凝器出口流体温度与室外湿球温度之差作为主控制参数送入控制器，以热泵冷凝器进口流体的温度作为辅助控制参数，送入控制器；

在地埋管换热器出口和入口设置累计流体冷热量的检测和校核装置，获取地埋管换热器中的流体累计冬季从土壤中提取的热量和地埋管换热器中的流体累计夏季排入土壤的热量，作为地埋管换热器全年冷热负荷平衡的校核信号；

控制器根据采集的各温度数据分别控制冷却塔开启或关闭。

2.如权利要求1所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，其特征是，所述累计冷热量的检测和校核装置包括测量地埋管换热器出口和入口流体温度的热电阻及测量地埋管换热器流体流量的流量传感器。

3.如权利要求1所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，其特征是，所述控制器采用DDC方式控制冷却塔启动和停止，控制器与打印装置、显示装置和外部设置装置连接。

4.如权利要求1所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，其特征是，所述地埋管换热器和热泵之间设有冷却水循环水泵，热泵冷凝器入口处设有冷冻水循环水泵，冷却塔通过水泵与板式换热器连接；冷却塔顶部还设有风机，冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、水泵和风机均与控制器连接。

5.如权利要求4所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统，其特征是，所述冷却塔开启时先开启水泵，再开启风机，所述冷却塔停止时，先关闭风机，再关闭水泵。

6.基于权利要求1所述地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制系统的一种控制方法，其特征是，它根据建筑的负荷特性、气象参数以及地源热泵复合系统的设置，以全年地下环境的冷热平衡和地源热泵复合系统的节能优化为目标，对整个地源热泵复合系统的全年运行进行动态模拟和优化，确定控制策略和控制参数，即以热泵冷凝器出口流体温度与空气湿球温度之差为主要控制参数，以热泵冷凝器入口流体温度为辅助控制参数；各控制参数域值的设定根据当地的气象参数、建筑负荷和地源热泵复合系统的配置经过地源热泵复合系统动态优化模拟得到，作为应用于各别实际系统的工程控制软件中输入的设定参数。

7.如权利要求6所述的一种地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制方法，其特征是，具体步骤为：

步骤一：采集热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb；

步骤二：对热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb进行相应比较，比较结果进行控制冷却塔的开启和关闭；冷却塔保持关闭，则返回步骤一，若开启冷却塔进入步骤三；

步骤三：开启冷却塔，采集热泵冷凝器入口流体温度T_HPI、热泵冷凝器出口流体温度T_HPO和室外湿球温度T_wb；

步骤四：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与热泵冷凝器出口流体温度T_HPO相减所得结果与S1-Δ相比较，若大于S1-Δ则保持冷却塔运行，若小于S1-Δ则跳转步骤五；

步骤五：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与S1-Δ相比较，若大于S1-Δ则保持冷却塔运行然后返回步骤三，若小于S1-Δ测关闭冷却塔，关闭冷却塔后返回步骤一。

8.如权利要求7所述的地埋管及冷却塔地源热泵复合系统的控制方法，其特征是，所述步骤二的具体步骤为：

（2-1）：若热泵冷凝器出口流体温度T_HPO大于热泵冷凝器入口流体温度T_HPI，则跳转至（2），否则保持冷却塔关闭，然后返回步骤一；

（2-2）：热泵冷凝器出口流体温度T_HPO与室外湿球温度T_wb相减，然后与S1比较，若大于S1，则开启冷却塔，若小于则跳转（2-3）；

（2-3）：热泵冷凝器入口流体温度T_HPI与S2比较，若大于S2则开启冷却塔；若小于S2则保持冷却塔关闭，然后返回步骤一。

Images