CN110701659A - 一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法 - Google Patents

Abstract

一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，涉及空气源热泵抑霜技术和群控技术领域。首先，确定空气源热泵集中供暖系统热源侧的基本配置情况，并根据实际运行工况，确定系统总的负荷率和抑霜目标；其次，根据上述需求和目标，确定系统中机组启动数量和每一台启动机组的负荷率；再次，确定单台机组变频空气源热泵的压缩机转速和风机转速，或单台多压缩机并联机组中压缩机的运行数量；最后，通过中央数据处理控制器，统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组，实现制热和抑霜需求。

Description

一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统 群控方法

技术领域

本发明是一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，涉及空气源热泵抑霜技术和群控技术领域。

背景技术

“空气源热泵”是近年来全世界倍受关注的节能技术，欧盟各国、日本和我国相继将其列入可再生能源技术范畴。空气源热泵在我国已被广泛应用于建筑空间供暖，其中，商用空气源热泵机组由于市场开拓早，已经进入全面发展阶段。

在实际的工程应用中，商用空气源热泵常以模块串/并联的形式构成整个供暖系统的热源。模块机常见的形式主要有3种，分别是单压缩机的定频机组、多压缩机并联的定频机组和变频空气源热泵机组，而多压缩机并联的定频机组和变频空气源热泵机组，由于其容量可调节特性，具有更好的节能效果和舒适性，已成为当前商用空气源热泵供暖市场的主流产品。

目前，商用空气源热泵的集中供暖系统在实际运行中，为了满足负荷需求，机组的群控策略主要根据供/回水温度采用机组顺序启停或部分机组启停的方式，控制整个系统机组的启停，其并未能充分利用单台机组的变容量的特性，造成机组频繁启停和非运行机组漏热量增加问题。

此外，当空气源热泵在冬季运行时，结霜也是是制约机组高效、稳定运行的关键问题。从传热的角度分析，室外换热器表面霜层的生长主要受空气侧的对流换热，制冷剂侧的沸腾换热以及蒸发器的换热影响，即调整空气源热泵压缩机、室外侧风机和室外侧换热器等关键部件的配比，有利于提高蒸发温度，降低换热温差，抑制结霜。而空气源热泵的结霜工况主要集中在-5℃～5℃，属于部分负荷工况，对于变容量空气源热泵机组，在结霜工况下，可通过控制压缩机、室外侧风机或室外侧换热器等关键部件的配比关系，取得延缓结霜的效果。然而，现有的空气源热泵机组群控策略缺乏该方面的调控以及应对机组结霜问题的有效策略。

可见，为了提高空气源热泵集中供暖系统的运行能效，负荷匹配和抑霜均应作为系统群控策略的控制的目标。因此，从运行控制优化层面，结合实际结霜工况下的负荷需求，充分利用系统中每一台变容量空气源热泵机组的调节特性，进行压缩机、室外换热器或室外风机的动态抑霜匹配，在满足制热需求的同时实现按需抑霜，进而可实现每台机组全工况下高效、连续、稳定运行，推动空气源热泵集中供暖系统在我国全地域应用与发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，针对商用的变容量空气源热泵机组集中供暖系统，在结霜工况下，通过优化机组启停台数，压缩机、室外侧风机和室外侧蒸发器等关键部件的配比关系，满足制热需求的同时按需抑霜，实现机组在全工况下高效运行。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，包括首先，确定空气源热泵集中供暖系统热源侧的基本配置情况，并根据实际运行工况，确定系统总的负荷率和抑霜目标；其次，根据上述需求和目标，确定系统中机组启动数量和每一台启动机组的负荷率；再次，确定单台机组变频空气源热泵的压缩机转速和风机转速，或单台多压缩机并联机组中压缩机的运行数量；最后，通过中央数据处理控制器，统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组，实现制热和抑霜需求。具体的步骤如下：

第一步，确定系统机组台数x_总，以及每台机组的基本配置信息，包括压缩机额定转速n₀、压缩机台数y′、每台压缩机排量V₀，室外换热器换热面积F以及室外风机额定风量G₀；

第二步，根据系统总供回水管的实际供水温度T_g、回水温度T_h以及设定温度T_{g_set}，按照公式

计算机组总的理论负荷率

确定系统中需运行的机组数量x；若总的制热量需求Q≥单台机组的最小制热量量Q_min×x_总，x＝x_总；反之根据实际需求逐渐递减运行机组的数量，其中Q＝cm(T_g-T_h)，c为水的比热容，m为总管中的水流量；

第三步，根据上述的

和运行机组的数量x，按照公式

确定单台运行机组的平均负荷率

进而确定变频机组压缩机转速n或每一台多压缩机并联机组需运行压缩机的台数y(负荷率求转速n或并联压缩机的台数为常规技术，一般负荷率与转速n为正相关关系)；

第四步，根据实际运行环境的温度T_a和相对湿度RH，判定结霜工况，若运行工况位于无霜或结露区，机组运行控制不做调整，若位于结霜区，根据结霜程度，拟定每一台机组的抑霜目标R；

第五步，对于系统中每台变频机组，根据第一步得到的室外换热器换热面积F和压缩机排量V₀，第三步得到的压缩机转速n，以及第四步得到的抑霜目标R，按照模型R＝f₁(n,V₀,F,G)，计算室外风机风量G，若G＜G₀，G判定为真值，取值不变，若G＞G₀，G判定为假值，按照额定风量G₀取值；而对于系统中每台多压缩机并联机组，风机一般配置为定频风机，风机转速确定不变，风机和压缩机无法实现互补，因此，在满足制热需求的前提下尽量减少每个制冷剂环路中并联压缩机的运行台数，可以达到抑霜的效果；

R＝f₁(n,V₀,F,G)即为

可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系，其中A₀为偏差修正系数取值范围为0.1～1。

第六步，根据确定的每台变频机组压缩机转速n和室外风机风量G，或多压缩机并联机组需启动压缩机的台数y，将结果反馈至中央数据处理控制器，然后由中央数据处理控制器统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组；

第七步，待系统稳定后，根据实际的运行参数计算系统实际总负荷率

若

继续群控机组，以满足制热和抑霜需求；反之，按照

的负荷率重新确定压缩机转速或台数和室外风机风量，直至满足

本发明具有以下优点：

(1)创新性的提出了一种空气源热泵集中供暖系统群控方法，在结霜工况下，充分利用每一台机组的动态调节特性，在满足制热需求的同时，实现抑制结霜，缓解了空气源热泵实际运行中结霜影响，提高了机组制热能力，实现了空气源热泵全工况下高效、稳定运行；

(2)该方法相对于传统控制方法，可有效减缓机组因运行时间短而造成的机组频繁启停或漏热量大的问题；

(3)该方法未增加任何设备或系统，同时实现了制热和抑霜需求，成本低，实用性强。

附图说明

图1是某办公建筑空气源热泵供暖系统热源侧示意图；

图2是某办公建筑空气源热泵供暖系统中1#空气源热泵(冷水)机组配置图；

1压缩机、2室外侧换热器、3室外风机、4电子膨胀阀、5壳管式换热器、6四通换向阀、7机组控制器.

图3是本发明的一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法流程图。

图4是负荷率和压缩机转速变化关系图。

具体实施方式

以下所述内容仅为本发明较佳的实施例，并不因此而限定本发明保护的范围。

本发明所提出来的一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，实现了在满足供暖系统负荷需求的同时，兼顾抑霜。下面结合附图对本发明的指导实施过程作进一步详细描述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)图1和图2分别为某办公建筑空气源热泵供暖系统热源侧示意图和机组原理图，其中，系统中热源侧配置了10台某品牌相同的变频空气热泵机组，并联在系统中。1#机组配置包括1压缩机、2室外侧换热器、3室外风机、4电子膨胀阀、5壳管式换热器、6四通换向阀和7机组控制器，其中，机组压缩机、室外侧换热器和室外侧风机实际配置情况如下：压缩机1的运行转速n范围为30～80r/s，额定转速为80r/s，压缩机排气量V₀为42m³/rev，蒸发器2的换热面积F为58.2m²，室外侧风机3风量G范围为3000～8400m³/h，额定风量G₁为8400m³/h；

(2)结合图3，首先根据时时采集到的环境温度T_a、相对湿度RH、总供水温度T_g、总回水温度T_h以及设定温度T_{g_set}，计算运行工况下系统总的负荷率和抑霜目标R，确定系统中需运行的机组数量x；

(3)计算每台运行机组的负荷率

并结合图4，确定压缩机转速n；

(4)按照模型R＝f₁(n,V₀,F,G)，计算每台机组室外风机风量G₁，若G₁＜8400m³/h，G₁取值不变，若G₁＞8400m³/h，G₁＝8400m³/h；

(5)根据风机风量，按照风机性能曲线，确定风机转速n_fan，将结果反馈至中央数据处理控制器，然后由中央数据处理控制器统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组；

(6)待机组运行稳定后，根据实际的运行参数计算系统总负荷率

若

机组继续稳定运行，以满足制热和抑霜需求；反之，按照

的总负荷率重新计算，直至满足

本发明的实施实例在结霜工况下，可以在空气源热泵集中供暖系统满足制热需求的同时有效抑制空气源热泵结霜，保证机组全工况下稳定高效的运行。

Claims (2)

1.一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，其特征在于，包括首先，确定空气源热泵集中供暖系统热源侧的基本配置情况，并根据实际运行工况，确定系统总的负荷率和抑霜目标；其次，根据上述需求和目标，确定系统中机组启动数量和每一台启动机组的负荷率；再次，确定单台机组变频空气源热泵的压缩机转速和风机转速，或单台多压缩机并联机组中压缩机的运行数量；最后，通过中央数据处理控制器，统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组，实现制热和抑霜需求；具体的步骤如下：

第一步，确定系统机组台数x_总，以及每台机组的基本配置信息，包括压缩机额定转速n₀、压缩机台数y′、每台压缩机排量V₀，室外换热器换热面积F以及室外风机额定风量G₀；

第二步，根据系统总供回水管的实际供水温度T_g、回水温度T_h以及设定温度T_{g_set}，按照公式计算机组总的理论负荷率

确定系统中需运行的机组数量x；若总的制热量需求Q≥单台机组的最小制热量量Q_min×x_总，x＝x_总；反之根据实际需求逐渐递减运行机组的数量，其中Q＝cm(T_g-T_h)，c为水的比热容，m为总管中的水流量；

第三步，根据上述的

和运行机组的数量x，按照公式

确定单台运行机组的平均负荷率进而确定变频机组压缩机转速n或每一台多压缩机并联机组需运行压缩机的台数y；

第四步，根据实际运行环境的温度T_a和相对湿度RH，判定结霜工况，若运行工况位于无霜或结露区，机组运行控制不做调整，若位于结霜区，根据结霜程度，拟定每一台机组的抑霜目标R；

第五步，对于系统中每台变频机组，根据第一步得到的室外换热器换热面积F和压缩机排量V₀，第三步得到的压缩机转速n，以及第四步得到的抑霜目标R，按照模型R＝f₁(n,V₀,F,G)，计算室外风机风量G，若G＜G₀，G判定为真值，取值不变，若G＞G₀，G判定为假值，按照额定风量G₀取值；而对于系统中每台多压缩机并联机组，风机一般配置为定频风机，风机转速确定不变，风机和压缩机无法实现互补，因此，在满足制热需求的前提下尽量减少每个制冷剂环路中并联压缩机的运行台数，可以达到抑霜的效果；

第六步，根据确定的每台变频机组压缩机转速n和室外风机风量G，或多压缩机并联机组需启动压缩机的台数y，将结果反馈至中央数据处理控制器，然后由中央数据处理控制器统一将控制信号发送至每一台机组控制主板，进而群控系统的机组；

第七步，待系统稳定后，根据实际的运行参数计算系统实际总负荷率

若

继续群控机组，以满足制热和抑霜需求；反之，按照

的负荷率重新确定压缩机转速或台数和室外风机风量，直至满足

2.按照权利要求1所述的一种基于负荷匹配和抑霜多目标的空气源热泵集中供暖系统群控方法，其特征在于，R＝f₁(n,V₀,F,G)即为

可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系，其中A₀为偏差修正系数取值范围为0.1～1。

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