CN103913023A - 地源热泵系统的循环流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种低能耗、自动控温的地源热泵系统控制方法，即一种地源热泵系统的循环流量控制方法。该方法获得了循环流量q与供回水温差Δt之间的关系，即提出一套完整的系统性的控制理论及控制系统。并针对系统实际运行中负荷的变化引起换热量的变化而提出对于地源热泵侧水泵的调控策略，实现了对地源热泵水泵变频控制。

Description

地源热泵系统的循环流量控制方法

技术领域

本发明涉及地埋管地源热泵系统的控制。 

背景技术

在能源短缺问题日益严重的今天，能源短缺已成为各国经济发展的瓶颈。我国能耗分析报告中指出，建筑能耗是能源消耗的大户，而供暖和空调的能耗是建筑能耗的主要组成部分。在我国大力倡导节能环保的大环境下，暖通行业必须要利用先进技术来减少建筑能耗。这就要求我们不仅要注意节能，还要大力开发和利用新能源，这也是暖通行业未来发展的主要趋势。 

地源热泵因其高效、稳定、节能、环保在世界范围内得到广泛的研究与应用，其研究已成为清洁能源领域的热门研究课题之一。地源热泵热源温度稳定，对地面空气无热、噪声污染并能减少污染物排放量，比普通空调运行费用低。由于地源热泵系统节能与环保的双重效益，国际上将地下蓄能技术和高效热泵同时引入21世纪最有发展前途的50项新技术之中。 

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，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地热能。一机两用，在夏季提供冷冻水，在冬季提供热水。取代了传统冷热源系统中的夏天采用冷水机组进行供冷，冬天采用锅炉进行供热的模式，大大减少了初投资设备费用。加之其高效、稳定、节能、环保的特性，土壤源热泵不失为一种新的节能型空调的冷热源。 

在设计地源热泵系统时，国内通常的办法是选取最不利环境条件下的冷热负荷作为设计负荷，进而进行系统设计和设备选型。而在实际运行中，只有极少数的时间能够达到最不利工况，这对于能源是一种很大的浪费。另外，根据建筑热工的分区，如某地属于夏热冬冷区，其夏季负荷远大于冬季负荷。这势必就造成了由于土壤的吸热量小于放热量，其结果就是土壤温度会逐年上升。当然，以季节划分时段来调控地源热泵系统中水泵的流量显然是太粗略了。在系统实际运行之中，冷却水与土壤进行换热，势必会对土壤的传 热特性产生影响，而且这一影响会随着运行时间的增加变得越来越明显。进而影响到循环冷却水的水温，进而影响到热泵机组的制冷效率。 

综上，目前本领域主要存在的问题有：1、没有提出完整的系统性的控制理论及控制系统；2、没有针对系统实际运行中负荷的变化引起换热量的变化而提出对于地源热泵侧水泵的调控策略；3、对于地源热泵系统没有提出土壤温差与流量之间的变化关系。 

发明内容

本发明的目的是提供一种低能耗、自动控温的地源热泵系统控制方法。 

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种地源热泵系统的循环流量控制方法，包括以下步骤： 

1）获得安装有地源热泵系统的建筑物的负荷曲线； 

2）根据所述负荷曲线获得当前建筑物的平均冷负荷Q； 

3）通过公式Q=C·q_c·ΔT，计算出地源热泵系统的循环流量q_c；其中：C为水的比热容，ΔT为预设的供回水温差； 

4）通过调节地源热泵系统中的水泵，使得地源热泵系统的循环流量q从q₁,q₂...,q_i进行变化，其中：q₁,q₂...,q_i的平均值为q_c；q₁,q₂...,q_i中每一个循环流量值维持的时间不小于15分钟；在每一次循环流量q变化前，测量供回水温差Δt，即获得Δt₁,Δt₂...,Δt_i； 

5）根据q₁,q₂...,q_i和Δt₁,Δt₂...,Δt_i，拟合出循环流量q与供回水温差Δt之间的关系，即Δt=Aq²+Bq+C。 

本发明的技术效果是毋庸置疑的，即提出一套完整的系统性的控制理论及控制系统。并针对系统实际运行中负荷的变化引起换热量的变化而提出对于地源热泵侧水泵的调控策略。另外，本发明实现了对地源热泵水泵变频控制。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图 

图中：1-集水槽；2-地埋管；3-分水槽；4-第二连接管；5-水泵；6-第一连接管；7-冷凝器；8-第三连接管；9-控制器；10-第一温度传感器；11-第二温度传感器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。 

本发明的实施例涉及的建筑物可以是安装如图1所示的地源热泵系统。该系统包括冷凝器7、水泵5、分水槽3和集水槽1。所述冷凝器7的出水口通过第一连接管6与水泵5的进水口连通，所述水泵5的出水口通过第二连接管4与分水槽3的进水口连通，所述分水槽3的出水口通过地埋管2与集水槽1的进水口连通，所述集水槽1的出水口通过第三连接管8与冷凝器7的进水口连通。 

所述水泵5为变频水泵，可以对循环流量进行实时的调节。进一步地，本实施例还包括第一温度传感器10、第二温度传感器11和控制器9。所述第一温度传感器10测量所述分水槽3的出水口处的水温t1，所述第二温度传感器11测量集水槽1的进水口处的水温t2。本实施例的水泵5可以采用现有的变频水泵，如国产的CX-B系列变频恒压供水自动控制装置和CX-D系列变频恒压节水灌溉自动控制装置，本身具有变频调速器和PLC等部件，可以控制循环流体的流速。所述控制器9根据命令调整水泵5的转速，以达到通过控制循环流量来控制温度的目的。 

实施例1： 

一种地源热泵系统的循环流量控制方法，包括以下步骤： 

1）获得安装有地源热泵系统的建筑物的负荷曲线。即某大厦安装有如附图1所示的地源热泵系统，所述负荷曲线可以通过现有的软件来实现。如天正暖通负荷计算软件、鸿业暖通负荷计算软件等，只要输入建筑物的涉及参数和所在城市，就能得到该建筑物的冷热负荷曲线。 

2）根据所述负荷曲线获得当前建筑物的平均冷负荷Q；即地源热泵系统开始工作时对应的负荷Q。 

3）通过公式，Q₁=Q·N，Q₁=C·q_c·ΔT，计算出地源热泵系统的循环流量q_c。进一步，由于所述地源热泵系统中存在冷凝器，其传热效率为N，则本步骤的公式修整为：Q₁=N·Q=C·q_c·ΔT。值得说明的是： C为水的比热容。ΔT为预设的供回水温差，可以采用经验值ΔT=5℃。 

4）通过调节地源热泵系统中的水泵，使得地源热泵系统的循环流量q从q₁,q₂...,q_i进行变化，其中：q₁,q₂...,q_i的平均值为q_c。进一步地，q₁,q₂...,q_i是一组随机序列，其平均值为q_c、最小值为所选设备铭牌的最小流量，最大值为2q_c（根据负荷曲线的经验数值）。 

q₁,q₂...,q_i中每一个循环流量值维持的时间不小于15分钟；在每一次循环流量_q变化前，测量供回水温差Δt，即获得Δt₁,Δt₂...,Δt_i。 

实施例中，i＝8，q₁＝1.527，q₂＝1.781，q₃＝2.036，q₄＝2.290，q₅＝2.545，q₆＝2.799，q₇＝3.054，q₈＝3.308，（其中单位为q立方米每小时，t是摄氏度）计算时，管内径是30m。 

即本步骤开始时，循环流量q＝q₁。保持q＝q₁十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₂。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₁十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₁＝3.2。 

同上，保持q＝q₂十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₃。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₂十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₂＝2.9。 

同上，保持q＝q₃十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₄。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₃十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₃＝2.9。 

同上，保持q＝q₄十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₅。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₄十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₄＝2.7。 

同上，保持q＝q₅十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₆。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₅十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₅＝2.3。 

同上，保持q＝q₆十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝ q₇。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₆十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₆＝2.2。 

同上，保持q＝q₇十五分钟后，改变所述循环流量，即使得q＝q₈。在改变所述循环流量的前一分钟，即保持q＝q₇十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₇＝1.6。 

保持q＝q₈十四分钟后，测量冷凝器7进出口温度，并获得冷凝器7进出口温度差，即所述回水温差Δt₈＝1.4。 

5）根据q₁,q₂...,q_i和Δt₁,Δt₂...,Δt_i，即（Q₁，Δt₁）、（q₂，Δt₂）……（q₈，Δt₈）。拟合出循环流量q与供回水温差Δt之间的关系，即Δt=-0.3309q²+0.5895q+3.0214。（q>规范中最低流量要求） 

实施例2： 

本实施例通过对实施例1结果的应用，以进一步说明本发明的技术效果。 

根据实施例1公开的方法，获得了实施例所述大厦当天的温差－流量关系：Δt=-0.3309q²+0.5895q+3.0214，又Q₁=C·q_c·ΔT,Q₁=Q·N。即找到Δt与q的关系时，可以进一步得出一个Q与流量q之间的关系。 

本实施例中，获得上述关系式后,每隔半个小时便通过软件获取大厦当前的平均冷负荷Q，将其代入上述关系式，计算出最适合的流量q。以此来调节地源热泵系统的循环流量q，从而达到一个节能的目的。 

Claims (3)

1.一种地源热泵系统的循环流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）获得安装有地源热泵系统的建筑物的负荷曲线；

2）根据所述负荷曲线获得当前建筑物的平均负荷Q；

3）通过公式Q₁=Q·N，Q₁=C·q_c·ΔT计算出地源热泵系统冷凝器侧循环流量q_c；其中：C为水的比热容，ΔT为预设的供回水温差，N为冷凝器传热效率；

4）通过调节地源热泵系统中的水泵，使得地源热泵系统的冷凝器侧循环流量q从q₁,q₂...,q_i进行变化，其中：q₁,q₂...,q_i的平均值为q_c；q₁,q₂...,q_i中每一个循环流量值维持的时间不小于15分钟；在每一次冷凝器侧循环流量q变化前，测量供回水温差Δt，即获得Δt₁,Δt₂...,Δt_i；

5）根据q₁,q₂...,q_i和Δt₁,Δt₂...,Δt_i，拟合出冷凝器侧循环流量q与供回水温差Δt之间的关系，即Δt=Aq²+Bq+C。

2.根据权利要求1所述的一种地源热泵系统的循环流量控制方法，其特征在于：所述地源热泵系统中的冷凝器传热效率为N，则步骤3）中，Q₁＝N·Q=C·q_c·ΔT，其中Q1为冷凝器的换热量。

3.根据权利要求1所述的一种地源热泵系统的循环流量控制方法，其特征在于：根据Δt=Aq²+Bq+C，导出Q与q的关系，从而根据建筑负荷对地源热泵侧水流量进行控制。