CN113865147A - 一种地源热泵自动控温系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种地源热泵自动控温系统和方法，其特征是，包括室外地源换热模块、地源热泵主机模块、室内末端模块，所述室外地源换热模块与室内末端模块经过地源热泵主机模块的实现流向选择形成室内制冷循环或者室内制热循环。将变频调速应用在异步电机驱动上，可以避免启停电流冲击，实现电机软启动和无极调速。在变频调速技术中加入变流量调节策略，在对压缩机进行调速的同时，同步控制电子膨胀阀开度等参数以期合理调整循环工质流量，最终达到工作负荷与实际需求负荷相匹配的目的。增强地源热泵温控系统的自适应能力，弥补时滞造成的性能损失，提高对浅层地能的利用效率，最大限度的节省高品位电能能耗。
Description
技术领域
本发明涉及热泵控制领域，尤其涉及一种地源热泵供暖自动控温系统和方法。
背景技术
当今社会，大气污染和化石能源枯竭问题愈发严峻，促进能源结构转型和提高能源利用效率逐步成为关注的热点。目前，我国的能源利用效率低于国际平均水平，能源环境压力和发展瓶颈日益增大，能源安全问题也已迫在眉睫，2018年，中国原油净进口量达到4.6亿吨，对外依存度攀升至71％；天然气净进口量超过日本成为全球第一，达到1200亿立方米，对外依存度达到43％。
虽然我国风电、太阳能发电等可再生能源装机容量增长迅速、边际成本逐渐递减，但其实际应用还远不能满足气候战略的需求，能源战略应当实行开源节流并重的方针，开源即尽可能多地接纳与使用可再生能源，节流的主要任务则是节能和提高能源使用效率。与此同时，浅层地表吸收太阳辐射能量的47％，其蕴藏的的低品位热能称之为“地能”，是一种无限可再生的清洁能源。
当此背景下，“电能替代战略”应运而生，而地源热泵作为该战略核心理念之一的“以电代煤”的经典实例，得到了国家电网公司的大力推广。地源热泵系统冷热量的获取来自温度工况较为恒定的岩土层，机组能效比(COP)值保持在4以上，即消耗1kW高品位电能可以得到4kW左右的冷量或热量，运行效率极高；制冷工况下，较之普通中央空调系统，地源热泵空调系统可以节能30％～40％；供暖工况下，较之燃气锅炉地暖可以节能在40％～50％，节能减排显著。但是现有的热泵系统控制性能具有非线性、滞后性等问题。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种热泵系统及其空调机”，其公告号CN203478700U，包括，包括主热泵系统，还包括设置在所述建筑物表面，且作为所述主热泵系统末端的直膨式强冷热辐射板，所述直膨式强冷热辐射板内部供所述主热泵系统内的制冷剂循环。但是上述热泵系统通过对室内空气状况监测数据的获取判断来调节热泵系统工作状态为连续或者间歇，上述热泵系统对末端空调控制的非线性、滞后性存在缺乏补偿的问题。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的热泵系统对室内末端系统的控制性能的非线性和滞后性缺乏补偿的问题，提供一种对热泵系统的供热过程进行精确的温度及流量控制，对非线性、时变性、滞后性的地源热泵控制性能进行补偿的地源热泵供暖自动控温系统和方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种地源热泵自动控温系统，包括室外地源换热模块、地源热泵主机模块、室内末端模块，所述室外地源换热模块与室内末端模块经过地源热泵主机模块的实现流向选择形成室内制冷循环或者室内制热循环。
作为优选，所述室外地源换热模块包括地埋管换热器、第一水泵和蒸发器，所述地埋管换热器、第一水泵和蒸发器形成循环回路。
作为优选，所述地源热泵主机模块包括膨胀阀、四通换向阀、压缩机组和冷凝器，蒸发器一端与四通换向阀一口连接，蒸发器另一端与膨胀阀一端连接，膨胀阀另一端与冷凝器一端连接，冷凝器另一端与四通换向阀二口连接，压缩机组的输入输出端分别与四通换向阀的三口和四口连接。制冷循环下，室内换热器作蒸发器，室内空气相当于低温热源，循环介质带走室内低温热，经压缩机增温增压，输送至室外换热器即冷凝器处并向地源侧放出高温热，实现室内制冷，压缩机做功余热同时用以制造生活热水。制热循环下，四通换向阀反转，循环介质换向流动，室外换热器作蒸发器，地源侧相当于低温环境，地埋管换热器将地源低温热输送至蒸发器处，完成热量从地源侧到热泵环路的转移，同样压缩机做功，将低温热转化成高温热，经室内冷凝器放热，并由风机盘管循环驱动室内空气完成热量吸收，实现室内供暖并生产生活热水。
作为优选，所述室内末端模块包括末端风机系统、变频器和温度传感器，所述温度传感器检测室内末端模块中循环工质的温度，所述变频器用于调节末端风机系统中风机盘管风机转速。将变频调速应用在风机盘管异步电机驱动上，可以避免启停电流冲击，实现电机软启动和无极调速；且变频器一旦故障，能够迅速退出变频、切换工频，电机、风机仍能正常运转。在节能的同时匹配负荷，延长机组使用寿命，对系统的温湿度、风速风量等指标调节精度更高，调节响应更快，优化了系统性能。
作为优选，所述室内末端模块还包括调温杯柜，所述调温杯柜并联在末端风机系统两端。调温杯柜利用室内末端模块的循环工质的温度对杯柜进行调温。制热循环下调温杯柜处于制热状态，起到杀菌消毒，保持杯体温暖触感的效果，适合保存用于喝热饮的杯子。制冷循环下调温杯柜处于制冷状态，起到冷藏效果，保持杯体清凉，适合保存用于喝冰牛奶冰水的杯子。
作为优选，所述调温杯柜包括底座和集热罩，所述底座上设有换热层，和分别设置在换热层上方的导热层和支架层。导热层起到导热作用，将导热层上方的空气温度与换热层的温度形成对流换热，支架层用于放置杯子。
作为优选，所述调温杯柜包括循环工质入口、循环工质出口、表面式换热器，所述循环工质入口和循环工质出口分别与表面式换热器的输入输出口连接。所述循环工质从循环工质入口进入经过表面式换热器，从循环工质出口流出。
一种地源热泵自动控温方法，所述变频器采用恒磁通控制，在变频的同时协调改变定子电压，以保持电机最大转矩恒定。变频器间接干预各子系统工作频率；对地源侧换热系统中循环水泵、用户侧末端系统中的风机和循环水泵以及热泵主机系统中的压缩机进行调速，与此同时，同步控制电子膨胀阀开度等参数以期合理调整循环工质流量，最终达到工作负荷与实际需求负荷相匹配的目的。
变流量调节满足如下关系：
Q＝ccir·qcir·ΔT
其中：Q表示系统制冷或采暖负荷，单位W；qcir表示循环工质流量，单位kg/s；ccir表示循环工质比热，单位J/(kg·K))；ΔT表示循环工质供回温差，单位K。
变流量策略就是基于上式左右两边的平衡，即：当系统冷负荷或热负荷发生改变时，在稳定循环工质供回温差的前提下，通过调节循环工质流量来跟随末端负荷。在地源热泵系统实际应用中，表现为以相应控制算法为每一负荷值匹配最优流量值，降低循环回路的输送能耗。
当循环工质供回温差偏差量为正值，即设定值大于反馈值，变频器将增大输出频率，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持系统状态恒定；反之，则变频器将减小输出频率，风机转速降低、输出功率减小，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡，达到控制用户侧室内温度、风量稳定的目的。
作为优选，所述组传递函数模型满足如下关系：
其中，
表示循环工质在冷凝器中停留的时间，
为增益系数，m表示压缩机后端换热器(即冷凝器)中循环工质质量，mcir表示循环工质质量流量单位为kg/s。
压缩机组传递函数模型满足建模步骤如下：
压缩机制冷量满足如下关系：
其中，Qc表示压缩机实际制冷量，单位KW；qcir表示循环工质单位体积制冷量，单位KJ/m3；Vr表示压缩机排气量，单位m3/s；ηv表示压缩机容积效率；Vg表示压缩机气缸容积，单位m3；n表示压缩机转速，单位r/min；z表示气缸数量。
根据频率和转速间的关系，可得
由于压缩机组子系统的非线性，先对其进行线性化处理，即建立稳态小偏量模型，根据能量守恒可建立下述动态平衡方程：
式中c表示循环工质比热，m表示压缩机后端换热器(即冷凝器)中循环工质质量，mcir表示循环工质质量流量(kg/s)，Tin,Tout分别表示换热器进出口循环工质温度。该式意义为：忽略能耗比和传热损失，则压缩机制冷量(KW)及循环工质吸热功率两者同冷凝器处放热功率之间守恒。
定义
分别为稳态时相应参数，在时间微元Δt后，其变化量分别为ΔTin，ΔTout，Δmcir和Δf；且令
可得
取ΔTout(t)，Δmcir(t)，ΔTin(t)，Δf(t)的象函数分别为Y(s)，F1(s)，F2(s)和F(s)，对上式进行Laplace变换可得：
当冷凝器进出口流量与温度保持不变时，上式等号右边前两项可忽略，由于压缩机组响应存在延迟，所以需要加入一个滞后环节，即压缩机组传递函数为
令
表示循环工质在冷凝器中平均停留时间，
为增益系数，则
因此，本发明具有如下有益效果：(1)将变频调速应用在异步电机驱动上，可以避免启停电流冲击，实现电机软启动和无极调速。(2)在变频调速技术中加入变流量调节策略，在对压缩机进行调速的同时，同步控制电子膨胀阀开度等参数以期合理调整循环工质流量，最终达到工作负荷与实际需求负荷相匹配的目的。(3)增强地源热泵温控系统的自适应能力，弥补时滞造成的性能损失，提高对浅层地能的利用效率，最大限度的节省高品位电能能耗。
附图说明
图1是本发明一实施例地源热泵系统结构示意图。
图2是本发明一实施例调温杯柜结构示意图。
图3是本发明一实施例表面式换热器结构示意图。
图中：1、室外地源换热模块2、地源热泵主机模块3、室内末端模块11、地埋管换热器12、第一水泵13、蒸发器22、膨胀阀23、四通换向阀24、压缩机组25、冷凝器32、末端风机系统4、调温杯柜41、底座42、集热罩43、表面式换热器44、循环工质入口45、循环工质出口。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
如图1～3所示的一种地源热泵自动控温系统，由室外地源换热模块1、地源热泵主机模块2、室内末端模块3组成，室外地源换热模块1由地埋管换热器11、第一水泵12和蒸发器13形成循环回路，地源热泵主机模块2由膨胀阀22、四通换向阀23、压缩机组24和冷凝器25组成，蒸发器13一端与四通换向阀23一口连接，蒸发器13另一端与膨胀阀22一端连接，膨胀阀22另一端与冷凝器25一端连接，冷凝器25另一端与四通换向阀23二口连接，压缩机组24的输入输出端分别与四通换向阀23的三口和四口连接。制冷循环下，室内换热器作蒸发器13，室内空气相当于低温热源，循环介质带走室内低温热，经压缩机增温增压，输送至室外换热器即冷凝器25处并向地源侧放出高温热，实现室内制冷，压缩机做功余热同时用以制造生活热水。制热循环下，四通换向阀23反转，循环介质换向流动，室外换热器作蒸发器13，地源侧相当于低温环境，地埋管换热器11将地源低温热输送至蒸发器13处，完成热量从地源侧到热泵环路的转移，同样压缩机做功，将低温热转化成高温热，经室内冷凝器25放热，并由风机盘管循环驱动室内空气完成热量吸收，实现室内供暖并生产生活热水。
室内末端模块3由末端风机系统32、调温杯柜4、变频器和温度传感器组成，所述温度传感器检测室内末端模块3中循环工质的温度，所述变频器用于调节末端风机系统32中风机盘管风机转速。所述调温杯柜4并联在末端风机系统32两端。所述调温杯柜4并联在末端风机系统32两端。调温杯柜4包括底座41和集热罩42，所述底座41上设有换热层，和分别设置在换热层上方的导热层和支架层。导热层起到导热作用，将导热层上方的空气温度与换热层的温度形成对流换热，支架层用于放置杯子。所述调温杯柜4包括循环工质入口44、循环工质出口45、表面式换热器43，所述循环工质入口44和循环工质出口45分别与表面式换热器43的输入输出口连接。所述循环工质从循环工质入口44进入经过表面式换热器43，从循环工质出口45流出。
调温杯柜4利用室内末端模块3的循环工质的温度对杯柜进行调温。制热循环下调温杯柜4处于制热状态，起到杀菌消毒，保持杯体温暖触感的效果，适合保存用于喝热饮的杯子。制冷循环下调温杯柜4处于制冷状态，起到冷藏效果，保持杯体清凉，适合保存用于喝冰牛奶冰水的杯子。
将变频调速应用在风机盘管异步电机驱动上，可以避免启停电流冲击，实现电机软启动和无极调速；且变频器一旦故障，能够迅速退出变频、切换工频，电机、风机仍能正常运转。在节能的同时匹配负荷，延长机组使用寿命，对系统的温湿度、风速风量等指标调节精度更高，调节响应更快，优化了系统性能。
所述变频器采用恒磁通控制，在变频的同时协调改变定子电压，以保持电机最大转矩恒定。变频器间接干预各子系统工作频率；对地源侧换热系统中循环水泵、用户侧末端系统中的风机和循环水泵以及热泵主机系统中的压缩机进行调速，与此同时，同步控制电子膨胀阀22开度等参数以期合理调整循环工质流量，最终达到工作负荷与实际需求负荷相匹配的目的。
变流量调节满足如下关系：
Q＝ccir·qcir·ΔT
其中：Q表示系统制冷或采暖负荷，单位W；qcir表示循环工质流量，单位kg/s；ccir表示循环工质比热，单位J/(kg·K))；ΔT表示循环工质供回温差，单位K。
变流量策略就是基于上式左右两边的平衡，即：当系统冷负荷或热负荷发生改变时，在稳定循环工质供回温差的前提下，通过调节循环工质流量来跟随末端负荷。在地源热泵系统实际应用中，表现为以相应控制算法为每一负荷值匹配最优流量值，降低循环回路的输送能耗。
当循环工质供回温差偏差量为正值，即设定值大于反馈值，变频器将增大输出频率，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持系统状态恒定；反之，则变频器将减小输出频率，风机转速降低、输出功率减小，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡，达到控制用户侧室内温度、风量稳定的目的。
压缩机组24传递函数模型满足建模步骤如下：
压缩机制冷量满足如下关系：
其中，Qc表示压缩机实际制冷量，单位KW；qcir表示循环工质单位体积制冷量，单位KJ/m3；Vr表示压缩机排气量，单位m3/s；ηv表示压缩机容积效率；Vg表示压缩机气缸容积，单位m3；n表示压缩机转速，单位r/min；z表示气缸数量。
根据频率和转速间的关系，可得
由于压缩机组24子系统的非线性，先对其进行线性化处理，即建立稳态小偏量模型，根据能量守恒可建立下述动态平衡方程：
式中c表示循环工质比热，m表示压缩机后端换热器(即冷凝器25)中循环工质质量，mcir表示循环工质质量流量(kg/s)，Tin,Tout分别表示换热器进出口循环工质温度。该式意义为：忽略能耗比和传热损失，则压缩机制冷量(KW)及循环工质吸热功率两者同冷凝器25处放热功率之间守恒。
定义
分别为稳态时相应参数，在时间微元Δt后，其变化量分别为ΔTin，ΔTout，Δmcir和Δf；且令
可得
取ΔTout(t)，Δmcir(t)，ΔTin(t)，Δf(t)的象函数分别为Y(s)，F1(s)，F2(s)和F(s)，对上式进行Laplace变换可得：
当冷凝器25进出口流量与温度保持不变时，上式等号右边前两项可忽略，由于压缩机组24响应存在延迟，所以需要加入一个滞后环节，即压缩机组24传递函数为
令
表示循环工质在冷凝器25中平均停留时间，
为增益系数，则
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了地埋管换热器、恒磁通、传递函数模型，循环工质等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (9)
1.一种地源热泵自动控温系统，其特征是，包括室外地源换热模块、地源热泵主机模块、室内末端模块，所述室外地源换热模块与室内末端模块经过地源热泵主机模块的实现流向选择形成室内制冷循环或者室内制热循环。
2.根据权利要求1所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述室外地源换热模块包括地埋管换热器、第一水泵和蒸发器，所述地埋管换热器和第一水泵和蒸发器形成循环回路。
3.根据权利要求2所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述地源热泵主机模块包括膨胀阀、四通换向阀、压缩机组和冷凝器，蒸发器一端与四通换向阀一口连接，蒸发器另一端与膨胀阀一端连接，膨胀阀另一端与冷凝器一端连接，冷凝器另一端与四通换向阀二口连接，压缩机组的输入输出端分别与四通换向阀的三口和四口连接。
4.根据权利要求3所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述室内末端模块包括末端风机系统、变频器和温度传感器，所述温度传感器检测室内末端模块中循环工质的温度，所述变频器用于调节末端风机系统中风机盘管风机转速。
5.根据权利要求4所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述室内末端模块还包括调温杯柜，所述调温杯柜并联在末端风机系统两端。
6.根据权利要求5所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述调温杯柜包括底座和集热罩，集热罩设置在底座上方，所述底座上设有换热层，和分别设置在换热层上方的导热层和支架层。
7.根据权利要求6所述的一种地源热泵自动控温系统，其特征是，所述调温杯柜包括循环工质入口、循环工质出口、表面式换热器，所述循环工质入口和循环工质出口分别与表面式换热器的输入输出口连接。
8.一种用于权利要求1-6所述的地源热泵自动控温系统的方法，其特征是，所述变频器采用恒磁通控制，在变频的同时协调改变定子电压，以保持电机最大转矩恒定。
9.根据权利要求7所述的一种地源热泵自动控温方法，其特征是，所述压缩机组传递函数模型满足如下关系：
其中，
表示循环工质在冷凝器中停留的时间，
为增益系数，m表示压缩机后端冷凝器中循环工质质量，mcir表示循环工质质量流量单位为kg/s。
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| CN202111086797.8A CN113865147A (zh) | 2021-09-16 | 2021-09-16 | 一种地源热泵自动控温系统和方法 |
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| CN202111086797.8A CN113865147A (zh) | 2021-09-16 | 2021-09-16 | 一种地源热泵自动控温系统和方法 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN203964260U (zh) * | 2014-07-18 | 2014-11-26 | 上海盛庐节能机电有限公司 | 一种地源热泵系统的自动控制系统 |
| CN106382767A (zh) * | 2016-08-30 | 2017-02-08 | 湖南中大经纬地热开发科技有限公司 | 地下水量贫乏区域的地热综合利用系统 |
| JP2019500566A (ja) * | 2015-11-20 | 2019-01-10 | センス ジオエナジ ストレッジ アクチエボラグＳｅｎｓ Ｇｅｏｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ａｂ | ヒートポンピングの方法およびシステム |
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-
2021
- 2021-09-16 CN CN202111086797.8A patent/CN113865147A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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| Title |
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