CN105485964B - 一种改进的地源热泵控制装置及其控制方法 - Google Patents

一种改进的地源热泵控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的地源热泵控制装置，包括地埋管机构以及分别与地埋管机构使用水管连接的用户侧导热盘管、加热锅炉和冷却塔，所述地埋管机构包括与用户侧导热盘管连接的第一进水回路和第一出水回路、与加热锅炉连接的第二进水回路和第二出水回路、与冷却塔连接的第三进水回路和第三出水回路，第二进水回路和第三进水回路分别通过第一导热机构和第二导热机构与第一出水回路接触，第一进水回路、第一出水回路、第二进水回路、第二出水回路、第三进水回路和第三出水回路上分别设置有水温计。本发明还提供了一种地源热泵控制装置的控制方法。本发明能够改进现有技术的不足，提高了地源热泵联合系统的热效率。

Description

一种改进的地源热泵控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其是一种改进的地源热泵控制装置及其控制方法。
背景技术
地源热泵是一种利用浅层地热资源(又称为地能，包括：地下水、土壤以及地表水等)的既可以供热又可以制冷的高效节能空调设备。由于在冬季和夏季，地能温度温差变化不大，土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境温度高；夏季温度为18-32℃，温度比环境温度低，地源热泵利用利用物质在由液体转化成气体时吸热、由气体转换成液体会放热的原理，在冬天，将水体或者土壤中的热能传导到室内，在夏天，将室内温度传导到水体或者土壤中，达到在冬天取暖或者在夏天制冷的目的。为了保证充足的热源/冷源供应，地源热泵通常与外接的制热/制冷设备联合使用。但是，现有的地源热泵联合系统热效率低，大量的不可再生能源被浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改进的地源热泵控制装置及其控制方法，能够解决现有技术的不足，提高了地源热泵联合系统的热效率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种改进的地源热泵控制装置，包括地埋管机构以及分别与地埋管机构使用水管连接的用户侧导热盘管、加热锅炉和冷却塔，所述地埋管机构包括与用户侧导热盘管连接的第一进水回路和第一出水回路、与加热锅炉连接的第二进水回路和第二出水回路、与冷却塔连接的第三进水回路和第三出水回路，第二进水回路和第三进水回路分别通过第一导热机构和第二导热机构与第一出水回路接触，第一进水回路、第一出水回路、第二进水回路、第二出水回路、第三进水回路和第三出水回路上分别设置有水温计；第一导热机构包括第一导热腔体，第一导热腔体内通过旋转电机连接有叶片；第二导热机构包括第二导热腔体，第二导热腔体内保持真空，第二导热腔体的内径由上至下逐渐减小，第二导热腔体内通过液压杆连接有导热金属片，导热金属片与第二导热腔体的内壁选择性接触。
作为优选，所述第一导热机构和第二导热机构之间设置有隔热层。
作为优选，所述第一导热腔体的内壁设置有与第一导热腔体相连通的导流腔，导流腔内设置有相互啮合的传动齿轮和被动叶轮，第一导热腔体内设置有主动叶轮，传动齿轮与主动叶轮之间通过传动轴连接。
作为优选，所述导热金属片外侧固定有扭簧，弧形金属片的一端固定在导热金属片上，导热金属片的另一端固定在扭簧上。
作为优选，所述第二导热腔体的内壁设置有螺旋导向槽，螺旋导向槽的侧壁设置有若干层插槽，插槽的顶端设置有向上翘起的弧形腔体。
一种使用上述改进的地源热泵控制装置的控制方法，包括以下步骤：
A、循环水在第一进水回路和第一出水回路内循环流动，使用地埋管机构对用户侧进行温度调节；在采暖季时，当地埋管机构内的热源不能满足用户侧的热量需求量时，启动加热锅炉对地埋管机构内进行热量补充，同时利用第一导热机构对第一进水回路进行热传导；在制冷季时，当地埋管机构内的冷源不能满足用户侧的冷量需求量时，启动冷却塔对地埋管机构内进行冷量补充，同时利用第二导热机构对第一进水回路进行热传导。
B、处于采暖季时，导热金属片在液压杆的带动下位于第二导热腔体的顶部，与第二导热腔体的内壁相分离，第一导热腔体内填充有导热油，叶片在旋转电机的带动下转动；叶片的转速通过用户侧的目标温度经过第一传递函数F(t)的运算得出，第一传递函数F(t)的形式为，
F(t)＝At2+Bt+C
其中，t为用户侧目标温度，A为以第一进水回路与第一出水回路的温差为变量的函数，B为第二进水回路与第二出水回路的温差为变量的函数，C为以地埋管机构内平均温度为变量的函数；
C、处于制冷季时，导热金属片在液压杆的带动下向下移动，与第二导热腔体的内壁接触，将第一导热腔体内的导热油抽出，叶片停止转动；液压杆的位置通过用户侧的目标温度经过第而传递函数G(t)的运算得出，第二传递函数G(t)的形式为，
G(t)＝Xt2+Yt+Z
其中，t为用户侧目标温度，X为以第一进水回路与第一出水回路的温差为变量的函数，Y为第三进水回路与第三出水回路的温差为变量的函数，Z为以地埋管机构内平均温度为变量的函数。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明采用地源热泵、锅炉和冷却塔联合工作，实现用户侧温度调整的连续性。锅炉和冷却塔在进行辅助调温时，不是直接对用户侧进行工作，而是通过地源热泵进行间接调温，通过地源热泵对于热量的缓冲，可以使锅炉和冷却塔的工作过程更加接近高效区间，同时降低热量损失，从而明显提高地源热泵联合系统的热效率。锅炉与用户进水端通过第一导热机构的油液循环的方式进行热传导，可以有效改善进水端直接吸热而出现的气泡影响水流流通的问题，冷却塔与用户进水端通过第二导热机构的金属接触方式进行热传导，效率高，而且在不使用的时候可以实现真空隔热，避免锅炉侧和冷却塔侧的热量窜动。第一导热腔体利用油液的自身流动，通过齿轮的啮合改变旋转方向，从而实现油液在第一导热腔体内的相向流动，提高油液温度的均匀性。弧形金属片可以在导热金属片发生扭转时，提高导热金属片之间接触面积变化的线性程度。螺旋导向槽可以避免导热金属片的相对移动，并且提高导热金属片之间的接触面积，提高传热效率。通过使用本发明提供的控制方法，可以有效降低各变量对于控温系统的干扰，提高用户侧实际温度的控制精度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中地埋管机构内部管路布置的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中第一导热机构的结构图。
图4是本发明一个具体实施方式中叶片的结构图。
图5是本发明一个具体实施方式中第二导热机构的结构图。
图6是本发明一个具体实施方式中导热金属片的结构图。
图7是本发明一个具体实施方式中螺旋导向槽的结构图。
图中：1、地埋管机构；2、用户侧导热盘管；3、加热锅炉；4、冷却塔；5、第一进水回路；6、第一出水回路；7、第二进水回路；8、第二出水回路；9、第三进水回路；10、第三出水回路；11、第一导热机构；12、第二导热机构；13、水温计；14、第一导热腔体；15、旋转电机；16、叶片；17、第二导热腔体；18、液压杆；19、导热金属片；20、隔热层；21、导流腔；22、被动叶轮；23、主动叶轮；24、传动轴；25、传动齿轮；26、扭簧；27、弧形金属片；28、螺旋导向槽；29、插槽；30、弧形腔体；31、导流孔；32、毛细管
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
参照图1-7，本发明一个具体实施方式包括地埋管机构1以及分别与地埋管机构1使用水管连接的用户侧导热盘管2、加热锅炉3和冷却塔4，所述地埋管机构1包括与用户侧导热盘管2连接的第一进水回路5和第一出水回路6、与加热锅炉3连接的第二进水回路7和第二出水回路8、与冷却塔4连接的第三进水回路9和第三出水回路10，第二进水回路7和第三进水回路9分别通过第一导热机构11和第二导热机构12与第一出水回路6接触，第一进水回路5、第一出水回路6、第二进水回路7、第二出水回路8、第三进水回路9和第三出水回路10上分别设置有水温计13；第一导热机构11包括第一导热腔体14，第一导热腔体14内通过旋转电机15连接有叶片16；第二导热机构11包括第二导热腔体17，第二导热腔体17内保持真空，第二导热腔体17的内径由上至下逐渐减小，第二导热腔体17内通过液压杆18连接有导热金属片19，导热金属片19与第二导热腔体17的内壁选择性接触。第一导热机构11和第二导热机构12之间设置有隔热层20。第一导热腔体14的内壁设置有与第一导热腔体14相连通的导流腔21，导流腔21内设置有相互啮合的传动齿轮25和被动叶轮22，第一导热腔体14内设置有主动叶轮23，传动齿轮25与主动叶轮23之间通过传动轴24连接。导热金属片19外侧固定有扭簧26，弧形金属片27的一端固定在导热金属片19上，导热金属片19的另一端固定在扭簧26上。第二导热腔体17的内壁设置有螺旋导向槽28，螺旋导向槽28的侧壁设置有若干层插槽29，插槽29的顶端设置有向上翘起的弧形腔体30。
另外，叶片16上贯通设置有导流孔31，在叶片16的背液面设置有毛细管32，毛细管32与导流孔31连通。油液通过导流孔31流动时，会在毛细管3内产生虹吸作用，从而引导叶片16背液面的油液流入导流孔31。这可以提高油液对主动叶轮23的推动作用。
一种使用上述地源热泵控制装置进行控制的方法，包括以下步骤：
A、循环水在第一进水回路5和第一出水回路6内循环流动，使用地埋管机构1对用户侧进行温度调节；在采暖季时，当地埋管机构1内的热源不能满足用户侧的热量需求量时，启动加热锅炉3对地埋管机构1内进行热量补充，同时利用第一导热机构11对第一进水回路5进行热传导；在制冷季时，当地埋管机构1内的冷源不能满足用户侧的冷量需求量时，启动冷却塔4对地埋管机构1内进行冷量补充，同时利用第二导热机构12对第一进水回路5进行热传导。
B、处于采暖季时，导热金属片19在液压杆18的带动下位于第二导热腔体17的顶部，与第二导热腔体17的内壁相分离，第一导热腔体14内填充有导热油，叶片16在旋转电机15的带动下转动；叶片16的转速通过用户侧的目标温度经过第一传递函数F(t)的运算得出，第一传递函数F(t)的形式为，
F(t)＝At2+Bt+C
其中，t为用户侧目标温度，A为以第一进水回路5与第一出水回路6的温差为变量的函数，B为第二进水回路7与第二出水回路8的温差为变量的函数，C为以地埋管机构1内平均温度为变量的函数；
函数A优选为
t1为第一进水回路5与第一出水回路6的温差。
函数B优选为
k3∫In(k4/t2)
t2为第二进水回路7与第二出水回路8的温差。
函数C优选为
t3为地埋管机构1内平均温度，上述k1～k6为比例系数。
C、处于制冷季时，导热金属片19在液压杆18的带动下向下移动，与第二导热腔体17的内壁接触，将第一导热腔体14内的导热油抽出，叶片16停止转动；液压杆18的位置通过用户侧的目标温度经过第而传递函数G(t)的运算得出，第二传递函数G(t)的形式为，
G(t)＝Xt2+Yt+Z
其中，t为用户侧目标温度，X为以第一进水回路5与第一出水回路6的温差为变量的函数，Y为第三进水回路9与第三出水回路10的温差为变量的函数，Z为以地埋管机构1内平均温度为变量的函数。
函数X优选为
t4为第一进水回路5与第一出水回路6的温差。
函数Y优选为
k9t5
t5为第三进水回路9与第三出水回路10的温差。
函数Z优选为
t6为以地埋管机构1内平均温度。上述k7～k10为比例系数。
上述传递函数可以有效还原地源热泵、锅炉和冷却塔联合运行时的热量传递过程，比例系数根据系统实际运行的工况灵活配置即可。
经过实际运行试验，一组额定功率120kW的热泵系统，每年可节约能源折合成标准煤约为13吨。
其中，本发明所述的地埋管机构、加热锅炉、冷却塔、水温计等部件均属于现有技术中的常用部件，其具体使用方法在此不再详述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种改进的地源热泵控制装置，包括地埋管机构(1)以及分别与地埋管机构(1)使用水管连接的用户侧导热盘管(2)、加热锅炉(3)和冷却塔(4)，其特征在于：所述地埋管机构(1)包括与用户侧导热盘管(2)连接的第一进水回路(5)和第一出水回路(6)、与加热锅炉(3)连接的第二进水回路(7)和第二出水回路(8)、与冷却塔(4)连接的第三进水回路(9)和第三出水回路(10)，第二进水回路(7)和第三进水回路(9)分别通过第一导热机构(11)和第二导热机构(12)与第一出水回路(6)接触，第一进水回路(5)、第一出水回路(6)、第二进水回路(7)、第二出水回路(8)、第三进水回路(9)和第三出水回路(10)上分别设置有水温计(13)；第一导热机构(11)包括第一导热腔体(14)，第一导热腔体(14)内通过旋转电机(15)连接有叶片(16)；第二导热机构(11)包括第二导热腔体(17)，第二导热腔体(17)内保持真空，第二导热腔体(17)的内径由上至下逐渐减小，第二导热腔体(17)内通过液压杆(18)连接有导热金属片(19)，导热金属片(19)与第二导热腔体(17)的内壁选择性接触；
所述第一导热机构(11)和第二导热机构(12)之间设置有隔热层(20)；
所述第一导热腔体(14)的内壁设置有与第一导热腔体(14)相连通的导流腔(21)，导流腔(21)内设置有相互啮合的传动齿轮(25)和被动叶轮(22)，第一导热腔体(14)内设置有主动叶轮(23)，传动齿轮(25)与主动叶轮(23)之间通过传动轴(24)连接。
2.根据权利要求1所述的改进的地源热泵控制装置，其特征在于：所述导热金属片(19)外侧固定有扭簧(26)，弧形金属片(27)的一端固定在导热金属片(19)上，导热金属片(19)的另一端固定在扭簧(26)上。
3.根据权利要求2所述的改进的地源热泵控制装置，其特征在于：所述第二导热腔体(17)的内壁设置有螺旋导向槽(28)，螺旋导向槽(28)的侧壁设置有若干层插槽(29)，插槽(29)的顶端设置有向上翘起的弧形腔体(30)。
4.一种使用上述权利要求1-3任意一项所述的改进的地源热泵控制装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A、循环水在第一进水回路(5)和第一出水回路(6)内循环流动，使用地埋管机构(1)对用户侧进行温度调节；在采暖季时，当地埋管机构(1)内的热源不能满足用户侧的热量需求量时，启动加热锅炉(3)对地埋管机构(1)内进行热量补充，同时利用第一导热机构(11)对第一进水回路(5)进行热传导；在制冷季时，当地埋管机构(1)内的冷源不能满足用户侧的冷量需求量时，启动冷却塔(4)对地埋管机构(1)内进行冷量补充，同时利用第二导热机构(12)对第一进水回路(5)进行热传导。
B、处于采暖季时，导热金属片(19)在液压杆(18)的带动下位于第二导热腔体(17)的顶部，与第二导热腔体(17)的内壁相分离，第一导热腔体(14)内填充有导热油，叶片(16)在旋转电机(15)的带动下转动；叶片(16)的转速通过用户侧的目标温度经过第一传递函数F(t)的运算得出，第一传递函数F(t)的形式为，
F(t)＝At2+Bt+C
其中，t为用户侧目标温度，A为以第一进水回路(5)与第一出水回路(6)的温差为变量的函数，B为第二进水回路(7)与第二出水回路(8)的温差为变量的函数，C为以地埋管机构(1)内平均温度为变量的函数；
C、处于制冷季时，导热金属片(19)在液压杆(18)的带动下向下移动，与第二导热腔体(17)的内壁接触，将第一导热腔体(14)内的导热油抽出，叶片(16)停止转动；液压杆(18)的位置通过用户侧的目标温度经过第而传递函数G(t)的运算得出，第二传递函数G(t)的形式为，
G(t)＝Xt2+Yt+Z
其中，t为用户侧目标温度，X为以第一进水回路(5)与第一出水回路(6)的温差为变量的函数，Y为第三进水回路(9)与第三出水回路(10)的温差为变量的函数，Z为以地埋管机构(1)内平均温度为变量的函数。
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