CN116878181B - 一种大规模地源热泵多能互补系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地源热泵技术领域，具体公开一种大规模地源热泵多能互补系统及运行方法，大规模地源热泵多能互补系统包括大规模地源热泵子系统、太阳能补热子系统以及双工况冷水机组冰蓄冷子系统。本发明对于冷热负荷大、建筑高度大的区域能源站，采取大规模地源热泵系统耦合双工况冷水机组冰蓄冷系统与太阳能补热的多能互补系统，能够降低单独使用地源热泵系统进行供能的初投资，降低夏季与冬季用电高峰期的运行能耗与费用，同时解决土壤取热量大于放热量的不平衡问题，维持土壤温度与地源热泵系统的高能效运行。采用经济性最优的控制方法，能够有效降低区域能源站的运行费用。
Description
技术领域
本发明涉及地源热泵技术领域，特别涉及一种大规模地源热泵多能互补系统及运行方法。
背景技术
地源热泵技术属于可再生能源领域的一种暖通空调技术。地源热泵系统使用地埋管换热器从土壤中提取或注入热量，用于住宅和大型公共建筑的供暖、空调和生活热水供应。土壤温度常年较为稳定，土壤源地源热泵将土壤作为蓄热体，具有工作环境稳定，对外部条件要求不高等特点，由于其高效和环保性及广泛的适用性，在暖通空调领域引起了广泛关注。地源热泵系统也有一些阻碍其大规模应用的障碍：由于地源热泵系统需要在土壤中钻孔放置地埋管，其初投资相对空气源热泵等常规系统较高；对于我国的夏热冬冷地区需要同时进行夏季供冷和冬季供暖的大规模区域能源站来说，一般存在土壤取热与放热不平衡的问题；此外，地源热泵系统主要消耗的能源为电能，在夏季的能耗高峰期一般也是电能的峰值价格，存在能耗高峰期运行费用高的问题。对于大规模地源热泵系统，由于其机组数量多、容量大、埋管更加密集，因此上述问题更为严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大规模地源热泵多能互补系统及运行方法，该多能互补系统耦合了地源热泵系统、双工况冷水机组冰蓄冷系统与太阳能补热系统，并给出了该系统的运行方法。
为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，包括大规模地源热泵子系统、太阳能补热子系统以及双工况冷水机组冰蓄冷子系统；
所述大规模地源热泵子系统包括高区地源热泵机组(1)、低区热泵机组(2)、对应的负荷侧循环水泵、高区分水器(3)、高区集水器(4)、低区分水器(5)、低区集水器(6)、高区管路补水设备(10)、低区管路补水设备(11)、地源侧分水器(7)、地源侧集水器(8)、地埋管群(9)、地源侧管路补水设备(12)、地源侧循环水泵(61)、低区地源热泵系统控制电磁阀(25～32)、高区热泵系统控制电磁阀(33～40)、高区系统压力传感器(52)以及低区系统压力传感器(53)；
所述太阳能补热子系统包括太阳能集热器(21)、高区太阳能蓄热水箱(22)、低区太阳能蓄热水箱(23)、太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、太阳能跨季节土壤补热循环泵、电磁阀(46～51)、第一压力传感器(57)、太阳能补热系统补水设备(24)；
所述双工况冷水机组冰蓄冷子系统包括高区双工况冷水机组(13)、低区双工况冷水机组(14)、高区蓄冰池(15)、低区蓄冰池(16)、高区板式换热器(17)、低区板式换热器(18)、冰蓄冷系统补水装置(72)，乙二醇循环泵、冷却塔(19)、冷却水循环泵、冷却塔补水装置(20)、电磁阀(41～45)、冰蓄冷系统压力传感器(55)、冷却塔系统压力传感器(56)；
所述大规模地源热泵多能互补系统的运行方法如下：
在第一时间段，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷子系统耦合供冷，包括九种工况：
1)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统关闭；
2)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统蓄冰工况；
3)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统融冰供冷；
4)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组直接供冷；
5)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
6)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统蓄冰工况；
7)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统融冰供冷；
8)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组直接供冷；
9)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用BP神经网络构建的负荷预测模型，预测当前时刻之后一小时不同工况的经济性，采用经济性最好的运行工况与参数，对阀门进行启、闭切换以及开度调节，和地源热泵系统与冰蓄冷系统的流量调节；
在第二时间段，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷系统均停止运行，运行太阳能补热子系统；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当前时刻之后一小时太阳能集热器产生的热水总热量Q1，与进行土壤跨季节蓄热消耗的能耗W1，采取Q1>W1且经济性最优的运行参数，调控太阳能集热循环泵与太阳能跨季节土壤补热循环泵开启、关闭的时刻及泵的运行频率、电磁阀的开度与开、关状态，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正；
在第三时间段，太阳能补热子系统与大规模地源热泵子系统耦合对负荷侧进行供暖，包括八种工况：
1)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
2)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
3)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
4)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
5)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
6)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
7)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
8)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当天太阳能集热器产生的热水总热量Q2、利用太阳能直接供热的能耗W2与在同等供热量下使用地源热泵系统供热的能耗W3，采取Q2>W3)>W2的运行参数，调控太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、地源热泵系统循环泵的开启、关闭的时刻及机组和泵的运行参数，以及电磁阀的开度与开关状态切换，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正。
进一步地，所述高区地源热泵机组(1)的蒸发器出水管与冷凝器出水管上设有电磁阀(63)、第二温度传感器(69)；所述高区地源热泵机组(1)的蒸发器进水管与冷凝器进水管上设有流量传感器(58)、第一温度传感器(59)、高区负荷侧循环泵(60)；电磁阀(33～40)用于切换地源热泵机组夏季与冬季工况；高区分水器(3)上有温度传感器，高区集水器(4)上有温度传感器与高区系统压力传感器(52)，高区管路补水设备(10)的出口有电磁阀并连接至高区集水器(4)；地源侧分水器(7)上有温度传感器，地源侧集水器(8)上有温度传感器与第二压力传感器(54)，地源侧管路补水设备(12)的出口有电磁阀并连接至地源侧集水器(8)，地埋管群(9)根据地理位置进行了并联与分区，并在各个分区的不同深度的土壤中安装有土壤温度传感器。
进一步地，利用高区地源热泵机组(1)进行供冷供暖时，高区负荷侧回水到达高区负荷侧集水器(4)，经由高区负荷侧循环泵(60)通过高区地源热泵机组(1)的进水管进入机组中，在高区地源热泵机组(1)中换热后从机组的出水管中离开，后到达高区分水器(3)，并通过高区负荷供水管送至负荷末端；同时，地源侧回水在地埋管群(9)中换热后到达地源侧集水器(8)，经由地源侧循环水泵(61)与高区地源热泵机组(1)的进水管到达地源热泵机组中，在机组中换热后从机组的出水管中离开，后到达地源侧分水器(7)，并送至地埋管群(9)。
进一步地，假设高区系统所需压力为P1，根据高区系统压力传感器(52)检测的压力数值P1’，当P1’-P1<设定值后，启动高区管路补水设备(10)为高区系统补水；假设地源侧管路所需压力为P2，根据第二压力传感器(54)检测的压力数值P2’，当P2’-P2<设定值后，启动地源侧管路补水设备(12)为地源侧管路系统补水。
进一步地，当所述太阳能补热子系统处于蓄热水工况时：
第六电磁阀(46)、第九电磁阀(49)为开状态，第七电磁阀(47)、第八电磁阀(48)、第十电磁阀(50)、第十一电磁阀(51)为关状态，太阳能集热器(21)产生热水并送至高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)，冷水从高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)流出经过第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)与太阳能集热循环泵返回太阳能集热器(21)；
当所述太阳能补热子系统处于冬季太阳能直接供热工况时：第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)为开状态，第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)为关状态，根据蓄热需求调控第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)；高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)中的热水通过第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)与太阳能直接供热循环泵进入负荷侧分水器，所述负荷侧分水器包括高区分水器(3)和低区分水器(5)，并通过负荷侧供水管进入负荷末端进行换热后再返回负荷侧集水器，所述负荷侧集水器包括高区集水器(4)和低区集水器(6)，再回到蓄热水箱中；
当所述太阳能补热子系统处于秋季土壤跨季节补热工况时：第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)为开状态，第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)为关状态，根据是否进行蓄热调节第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)，高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)中的热水通过第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)与太阳能跨季节补热循环泵进入地源侧分水器(7)，并进入地埋管群(9)中与土壤换热后再返回地源侧集水器(8)，再回到蓄热水箱中。
进一步地，假设太阳能补热子系统所需压力为P3，根据太阳能补热系统的第一压力传感器(57)检测的压力数值P3’，当P3’-P3<设定值后，启动太阳能补热系统补水设备(24)为系统补水。
进一步地，所述双工况冷水机组冰蓄冷子系统包括四种运行工况，通过电磁阀(41～45)进行工况的切换：
(1)机组蓄冰工况，第一电磁阀(41)和第三电磁阀(43)为开状态，第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)和第五电磁阀(45)为关状态，高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)中的循环水经过出水口离开，通过第三电磁阀(43)与循环泵进入双工况冷水机组(13，14)进行换热，从出水口离开冷水机组通过电磁阀(41)返回蓄冰池中；
(2)融冰供冷工况：第一电磁阀(41)、第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)和第五电磁阀(45)为开状态，第三电磁阀(43)为关状态，高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)中的循环水经过出水口离开，通过第四电磁阀(44)进入高区板式换热器(17)和低区板式换热器(18)与负荷侧回水进行换热，换热后从板式换热器出水口离开，依次通过循环泵、第五电磁阀(45)、第一电磁阀(41)返回高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)，通过第二电磁阀(42)调节冷水温度；
(3)机组直接供冷工况：第二电磁阀(42)和第四电磁阀(44)为开状态，第一电磁阀(41)、第三电磁阀(43)和第五电磁阀(45)为关状态，双工况冷水机组(13，14)制出冷水后，冷水从机组出水口离开，依次通过第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)进入板式换热器与负荷侧回水进行换热，换热后从板式换热器出水口离开，经过循环泵再次进入双工况冷水机组(13，14)；
(4)机组与融冰联合供冷工况：第一电磁阀(41)第二电磁阀(42)和第四电磁阀(44)为开状态，第三电磁阀(43)和第五电磁阀(45)为关状态，流体的循环路径为融冰供冷工况、机组直接供冷工况的循环路径的联合，通过电磁阀调节冷水机组直接供冷与融冰供冷承担的负荷比例。
进一步地，假设双工况冷水机组冰蓄冷子系统所需压力为P4，冷却塔系统所需压力为P5，根据冰蓄冷系统压力传感器(55)检测的压力数值P4’与冷却塔系统压力传感器(56)检测的压力数值P5’，当P4’-P4<设定值或P5’-P5<设定值后，启动冰蓄冷系统补水装置(72)为冰蓄冷系统补水或启动冷却塔补水装置(20)为冷却塔补水。
进一步地，在所述系统的运行方法中：所述第一时间段为夏季，所述第二时间段为秋季，所述第三时间段为冬季。
本发明的有益效果是：
对于冷热负荷大、建筑高度大的区域能源站，采取大规模地源热泵系统耦合双工况冷水机组冰蓄冷系统与太阳能补热的多能互补系统，能够降低单独使用地源热泵系统进行供能的初投资，降低夏季与冬季用电高峰期的运行能耗与费用，同时解决土壤取热量大于放热量的不平衡问题，维持土壤温度与地源热泵系统的高能效运行。采用经济性最优的控制方法，能够有效降低区域能源站的运行费用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例的一种大规模地源热泵多能互补系统的结构。
图2示出了根据本发明实施例的一种大规模地源热泵多能互补系统中大规模地源热泵子系统的结构图。
图3示出了根据本发明实施例的一种大规模地源热泵多能互补系统中太阳能补热子系统的结构图。
图4示出了根据本发明实施例的一种大规模地源热泵多能互补系统中双工况冷水机组冰蓄冷子系统的结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
本发明实施例提供一种大规模地源热泵多能互补系统，如图1所示，该大规模地源热泵多能互补系统包含三个子系统，分别为大规模地源热泵子系统A、太阳能补热子系统B以及双工况冷水机组冰蓄冷子系统C。三个子系统通过分水器与集水器耦合，并利用经济性最优控制方法进行运行控制。其中地源热泵子系统作为能源站基载系统；双工况冷水机组冰蓄冷子系统在夏季冷负荷峰值及电价峰值期间进行调峰运行；太阳能补热子系统在秋季可为土壤跨季节蓄热，在冬季直接为负荷侧供暖，平衡土壤的取放热量与维持土壤温度稳定。区域能源站内配置对应主机的冷冻水泵、冷却水泵、乙二醇泵、太阳能热水循环泵及板式热交换器等附属设备，管路及设备中有温度传感器、压力传感器、流量传感器及液位传感器。通过高区分水器3、高区集水器4、低区分水器5、低区集水器6，可以对三个子系统完成耦合运行。
具体的，如图2所示，为大规模地源热泵子系统的结构图，对于区域能源站的大规模地源热泵系统，由于其承担的建筑负荷大且供冷供热管路系统所需压力差别大，需要多台地源热泵机组并进行系统分区与压力隔离。根据负荷侧供冷供热管路系统所需压力，分为高区与低区。地埋管群承担高区地源热泵机组与低区地源热泵机组的取放热量，根据地埋管在地埋管群的位置对地埋管进行并联分区，可根据负荷强度与土壤温度进行地埋管分区管理运行。
大规模地源热泵子系统主要由高区地源热泵机组1、低区热泵机组2、对应的负荷侧循环水泵、高区分水器3、高区集水器4、低区分水器5、低区集水器6、高区管路补水设备10、低区管路补水设备11、地源侧分水器7、地源侧集水器8、地埋管群9、地源侧管路补水设备12、地源侧循环水泵61、低区地源热泵系统控制电磁阀25～32、高区热泵系统控制电磁阀33～40、高区系统压力传感器52、低区系统压力传感器53、及示意图中大规模地源热泵系统各管路中的电磁阀、温度传感器、流量传感器构成。
本申请的一个示例性的实施例中，高区地源热泵机组1的蒸发器出水管与冷凝器出水管上设有电磁阀63、第二温度传感器69；高区地源热泵机组1的蒸发器进水管与冷凝器进水管上设有流量传感器58、第一温度传感器59、高区负荷侧循环泵60；电磁阀33～40用于切换地源热泵机组夏季与冬季工况；高区分水器3上有温度传感器，高区集水器4上有温度传感器与高区系统压力传感器52，高区管路补水设备10的出口有电磁阀并连接至高区集水器4；地源侧分水器7上有温度传感器，地源侧集水器8上有温度传感器与第二压力传感器54，地源侧管路补水设备12的出口有电磁阀并连接至地源侧集水器8，地埋管群9根据地理位置进行了并联与分区，并在各个分区的不同深度的土壤中安装有土壤温度传感器，例如示意图中地埋管上部分区的土壤温度传感器70与地埋管下部分区的土壤温度传感器71。
本申请的一个示例性的实施例中，利用高区地源热泵机组1进行供冷供暖时，高区负荷侧回水到达负荷侧高区集水器4，经由高区负荷侧循环泵60通过高区地源热泵机组1的进水管进入机组中，在高区地源热泵机组1中换热后从机组的出水管中离开，后到达3-高区分水器，并通过高区负荷供水管送至负荷末端；同时，地源侧回水在地埋管群9中换热后到达地源侧集水器8，经由地源侧循环水泵61与高区地源热泵机组1的进水管到达地源热泵机组中，在机组中换热后从机组的出水管中离开，后到达地源侧分水器7，并送至地埋管群9。
本申请的一个示例性的实施例中，高区系统所需压力为P1，根据高区系统压力传感器52检测的压力数值P1’，当P1’-P1<设定值后，启动
高区管路补水设备10为高区系统补水；地源侧管路所需压力为P2，根据第二压力传感器54检测的压力数值P2’，当P2’-P2<设定值后，启动地源侧管路补水设备12为地源侧管路系统补水；
本申请的一个示例性的实施例中，在夏季，负荷侧的回水进入地源热泵机组的蒸发器中换热后返回负荷侧，地源侧的回水进入地源热泵机组的冷凝器中换热后返回地源侧；在冬季，负荷侧的回水进入地源热泵机组的冷凝器中换热后返回负荷侧，地源侧的回水进入地源热泵机组的蒸发器中换热后返回地源侧。大规模地源热泵系统夏季与冬季切换运行工况，需要把电磁阀进行开、关状态的切换。在夏季，电磁阀26、28、30、32、34、36、38、40为全开状态，电磁阀25、27、29、31、33、35、37、39为全关状态；在冬季，把上述电磁阀的开、关状态切换至相反的状态即可完成从夏季、冬季工况的切换。
本申请的一个示例性的实施例中，基于历史运行数据与系统中当前时刻的热泵机组流量、蒸发器与冷凝器的进出口的水温度、水泵运行频率、管道压力值、各电磁阀开度以及天气数据，根据控制系统中的预先部署的BP神经网络负荷预测算法与基于粒子群的经济性最优控制算法，进行大规模地源热泵系统的运行调节，调节循环水泵的频率、电磁阀开度等参数。
太阳能补热子系统与大规模地源热泵系统耦合，可以在冬季直接用于负荷侧供热，减小大规模地源热泵系统的负荷，也可以在秋季对土壤进行跨季节蓄热，维持土壤的取放热平衡。
如图3所示，为太阳能补热子系统的结构图，太阳能补热子系统主要由：太阳能集热器21、高区太阳能蓄热水箱22、低区太阳能蓄热水箱23、太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、太阳能跨季节土壤补热循环泵、电磁阀46～51、太阳能补热系统第一压力传感器57、太阳能补热系统补水设备24、流量传感器等构成。太阳能集热器的出水口与入水口安装有温度传感器，蓄热水箱安装有温度传感器、液位传感器。
本申请的一个示例性的实施例中，该太阳能补热子系统具有三种运行工况，具体为：
(1)对于太阳能补热子系统的蓄热水工况：第六电磁阀46，第九电磁阀49为开状态，第七电磁阀47，第八电磁阀48，第十电磁阀50，第十一电磁阀51为关状态。太阳能集热器21产生热水并送至高区太阳能蓄热水箱22，低区太阳能蓄热水箱23，冷水从蓄热水箱流出经过第六电磁阀46，第九电磁阀49与太阳能集热循环泵返回太阳能集热器21。
(2)对于冬季太阳能直接供热工况：第七电磁阀47、第十电磁阀50为开状态，第八电磁阀48、第十一电磁阀51为关状态，根据是否进行蓄热调控第六电磁阀46、第九电磁阀49。高区太阳能蓄热水箱22，低区太阳能蓄热水箱23中的热水通过第七电磁阀47，第十电磁阀50与太阳能直接供热循环泵进入负荷侧高区分水器3，低区分水器5，并通过负荷侧供水管进入负荷末端进行换热后再返回负荷侧高区集水器4，低区集水器6，再回到蓄热水箱中。
(3)对于秋季土壤跨季节补热工况：第八电磁阀48，第十一电磁阀51为状态，第七电磁阀47，第十电磁阀50为关状态，根据是否进行蓄热调节第六电磁阀46，第九电磁阀49。高区太阳能蓄热水箱22，低区太阳能蓄热水箱23中的热水通过第八电磁阀48，第十一电磁阀51与太阳能跨季节补热循环泵进入地源侧分水器7，并进入地埋管群9中与土壤换热后再返回地源侧集水器8，再回到蓄热水箱中。
本申请的一个示例性的实施例中，太阳能补热系统所需压力为P3，根据57-太阳能补热系统压力传感器检测的压力数值P3’，当P3’-P3<设定值后，启动24-太阳能补热系统补水设备为系统补水。
本申请的一个示例性的实施例中，基于历史运行数据与系统中当前时刻的蓄热水箱的进水温度，出水温度、太阳能集热器的进水温度，出水温度、蓄热流量、直接供热流量、跨季节补热流量、水泵运行频率、管道压力值、各电磁阀的开度以及天气数据根据控制系统中的预先部署的BP神经网络负荷预测算法与基于粒子群的经济性最优控制算法，进行太阳能补热系统的运行调节，调节循环水泵的频率、电磁阀开度与开关状态。
双工况冷水机组冰蓄冷子系统用于夏季负荷高峰期削峰以及降低峰值电价期供冷系统运行费用。
如图4所示，双工况冷水机组冰蓄冷子系统主要由高区双工况冷水机组13、低区双工况冷水机组14、高区蓄冰池15、低区蓄冰池16、高区板式换热器17、低区板式换热器18、冰蓄冷系统补水装置72，乙二醇循环泵、冷却塔19、冷却水循环泵、冷却塔补水装置20、电磁阀41～45、冰蓄冷系统压力传感器55，冷却塔系统压力传感器56以及各管道与设备内部的温度传感器、流量传感器、液位传感器等组成。
本申请的一个示例性的实施例中，双工况冷水机组冰蓄冷子系统共有4种运行工况，通过电磁阀41～45进行工况的切换：
(1)机组蓄冰工况，第一电磁阀41，第三电磁阀43为开状态，电磁阀第二电磁阀42，第四电磁阀44，第五电磁阀45为关状态。高区蓄冰池15，低区蓄冰池16中的循环水经过出水口离开，通过第三电磁阀43与循环泵进入双工况冷水机组13，14进行换热，从出水口离开冷水机组通过第一电磁阀41返回蓄冰池中。
(2)融冰供冷工况：第一电磁阀41，第二电磁阀42，第四电磁阀44，第五电磁阀45为开状态，第三电磁阀43为关状态。高区蓄冰池15，低区蓄冰池16中的循环水经过出水口离开，通过第四电磁阀44进入高区板式换热器17，低区板式换热器18与负荷侧回水进行换热，换热后从板式换热器出水口离开，依次通过循环泵、第五电磁阀45、第一电磁阀41返回高区蓄冰池15，低区蓄冰池16，通过第二电磁阀42调节冷水温度。
(3)机组直接供冷工况：第二电磁阀42，第四电磁阀44为开状态，第一电磁阀41，第三电磁阀43，第五电磁阀45为关状态。双工况冷水机组13，14制出冷水后，冷水从机组出水口离开，依次通过第二电磁阀42、第四电磁阀44进入板式换热器与负荷侧回水进行换热，换热后从板式换热器出水口离开，经过循环泵再次进入双工况冷水机组13，14。
(4)机组与融冰联合供冷工况：第一电磁阀41，第二电磁阀42，第四电磁阀44为开状态，第三电磁阀43，第五电磁阀45为关状态。该联合工况中流体的循环路径为工况(2)、工况(3)的循环路径的联合，通过电磁阀调节冷水机组直接供冷与融冰供冷承担的负荷比例；所述工况(2)即为所述融冰供冷工况，所述工况(3)即为所述机组直接供冷工况。
本申请的一个示例性的实施例中，冰蓄冷系统所需压力为P4，冷却塔系统所需压力为P5，根据55-冰蓄冷系统压力传感器检测的压力数值P4’与56-冷却塔系统压力传感器检测的压力数值P5’，当P4’-P4<设定值或P5’-P5<设定值后，可启动72-冰蓄冷系统补水装置为冰蓄冷系统补水或启动20-冷却塔补水装置为冷却塔补水。
本申请的一个示例性的实施例中，基于历史运行数据与系统中当前时刻的双工况冷水机组流量、蒸发器与冷凝器的进出口的水温度、蓄冰池内的温度、液位高度、融冰供冷流量、水泵运行频率、管道压力值、各电磁阀开度及天气数据，根据控制系统中的预先部署的BP神经网络负荷预测算法与基于粒子群的经济性最优控制算法，进行双工况冷水机组冰蓄冷系统的运行调节，调节循环水泵的频率、电磁阀开度和开关状态。
本申请的一个示例性的实施例中，该大规模地源热泵多能互补系统还包括控制系统，控制系统包括有管路中的温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、电磁阀门、机组启停器、信号变送器、控制终端组成。区域能源站系统中安装的温度传感器、压力传感器、流量传感器等传感器的信号通过信号变送器传输至控制终端，控制终端获取并记录各部件及管路的运行状态。通过控制终端预先部署的BP神经网络负荷预测算法与基于粒子群的经济性最优控制算法，预测并调整系统运行参数，将控制信号传递给执行器执行。
实施例2：
本发明实施例提供一种大规模地源热泵多能互补系统的运行方法，所述运行方法可由控制终端执行，控制终端根据采集到的管道与设备的温度、压力、流量、液位和天气参数，根据经济性最优控制模型对设备参数进行控制与调整。
在夏季，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷子系统耦合供冷，共有九种工况，如下所示。
1)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统关闭；
2)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统蓄冰工况；
3)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统融冰供冷；
4)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组直接供冷；
5)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
6)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统蓄冰工况；
7)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统融冰供冷；
8)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组直接供冷；
9)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用BP神经网络构建的负荷预测模型，预测当前时刻之后一小时不同工况的经济性，采用经济性最好的运行工况与参数，对阀门进行启、闭切换以及开度调节，和地源热泵系统与冰蓄冷系统的流量调节。
在秋季，无需对负荷侧进行供冷与供暖，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷系统均停止运行，如前文所述，太阳能补热子系统共有三种工况。
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当前时刻之后一小时太阳能集热器产生的热水总热量Q1，与进行土壤跨季节蓄热消耗的能耗W1，采取Q1>W1且经济性最优的运行参数，调控太阳能集热循环泵与太阳能跨季节土壤补热循环泵开启、关闭的时刻及泵的运行频率、电磁阀的开度与开、关状态，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正。
在冬季，太阳能补热系统与地源热泵系统耦合对负荷侧进行供暖，共有八种工况，如下所示：
1)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
2)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
3)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
4)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
5)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
6)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
7)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
8)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当天太阳能集热器产生的热水总热量Q2、利用太阳能直接供热的能耗W2与在同等供热量下使用地源热泵系统供热的能耗W3，采取Q2>W3>W2的运行参数，调控太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、地源热泵系统循环泵的开启、关闭的时刻及机组和泵的运行参数，以及电磁阀的开度与开关状态切换，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，包括大规模地源热泵子系统、太阳能补热子系统以及双工况冷水机组冰蓄冷子系统；
所述大规模地源热泵子系统包括高区地源热泵机组(1)、低区热泵机组(2)、对应的负荷侧循环水泵、高区分水器(3)、高区集水器(4)、低区分水器(5)、低区集水器(6)、高区管路补水设备(10)、低区管路补水设备(11)、地源侧分水器(7)、地源侧集水器(8)、地埋管群(9)、地源侧管路补水设备(12)、地源侧循环水泵(61)、低区地源热泵系统控制电磁阀(25～32)、高区热泵系统控制电磁阀(33～40)、高区系统压力传感器(52)以及低区系统压力传感器(53)；
所述太阳能补热子系统包括太阳能集热器(21)、高区太阳能蓄热水箱(22)、低区太阳能蓄热水箱(23)、太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、太阳能跨季节土壤补热循环泵、电磁阀(46～51)、太阳能补热系统压力传感器(57)、太阳能补热系统补水设备(24)；
所述双工况冷水机组冰蓄冷子系统包括高区双工况冷水机组(13)、低区双工况冷水机组(14)、高区蓄冰池(15)、低区蓄冰池(16)、高区板式换热器(17)、低区板式换热器(18)、冰蓄冷系统补水装置(72)，乙二醇循环泵、冷却塔(19)、冷却水循环泵、冷却塔补水装置(20)、电磁阀(41～45)、冰蓄冷系统压力传感器(55)、冷却塔系统压力传感器(56)；
所述大规模地源热泵多能互补系统的运行方法如下：
在第一时间段，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷子系统耦合供冷，包括九种工况：
1)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统关闭；
2)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统蓄冰工况；
3)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统融冰供冷；
4)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组直接供冷；
5)地源热泵系统关闭，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
6)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统蓄冰工况；
7)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统融冰供冷；
8)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组直接供冷；
9)地源热泵系统供冷，冰蓄冷系统机组与融冰联合供冷；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用BP神经网络构建的负荷预测模型，预测当前时刻之后一小时不同工况的经济性，采用经济性最好的运行工况与参数，对阀门进行启、闭切换以及开度调节，和地源热泵系统与冰蓄冷系统的流量调节；
在第二时间段，大规模地源热泵子系统与双工况冷水机组冰蓄冷系统均停止运行，运行太阳能补热子系统；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当前时刻之后一小时太阳能集热器产生的热水总热量Q1，与进行土壤跨季节蓄热消耗的能耗W1，采取Q1>W1且经济性最优的运行参数，调控太阳能集热循环泵与太阳能跨季节土壤补热循环泵开启、关闭的时刻及泵的运行频率、电磁阀的开度与开、关状态，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正；
在第三时间段，太阳能补热子系统与大规模地源热泵子系统耦合对负荷侧进行供暖，包括八种工况：
1)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
2)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环关闭；
3)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
4)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环关闭；
5)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
6)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环关闭，地源热泵供暖循环开启；
7)太阳能集热循环开启，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
8)太阳能集热循环关闭，太阳能直接供热循环开启，地源热泵供暖循环开启；
根据经济性最优控制模型，基于采集的历史数据与当前时刻系统的参数，利用神经网络构建的预测模型，预测当天太阳能集热器产生的热水总热量Q2、利用太阳能直接供热的能耗W2与在同等供热量下使用地源热泵系统供热的能耗W3，采取Q2>W3>W2的运行参数，调控太阳能集热循环泵、太阳能直接供热循环泵、地源热泵系统循环泵的开启、关闭的时刻及机组和泵的运行参数，以及电磁阀的开度与开关状态切换，并根据系统采集的运行参数对预测模型结果进行修正。
2.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，所述高区地源热泵机组(1)的蒸发器出水管与冷凝器出水管上设有电磁阀(63)、第二温度传感器(69)；所述高区地源热泵机组(1)的蒸发器进水管与冷凝器进水管上设有流量传感器(58)、第一温度传感器(59)、高区负荷侧循环泵(60)；电磁阀(33～40)用于切换地源热泵机组夏季与冬季工况；高区分水器(3)上有温度传感器，高区集水器(4)上有温度传感器与高区系统压力传感器(52)，高区管路补水设备(10)的出口有电磁阀并连接至高区集水器(4)；地源侧分水器(7)上有温度传感器，地源侧集水器(8)上有温度传感器与第二压力传感器(54)，地源侧管路补水设备(12)的出口有电磁阀并连接至地源侧集水器(8)，地埋管群(9)根据地理位置进行了并联与分区，并在各个分区的不同深度的土壤中安装有土壤温度传感器。
3.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，利用高区地源热泵机组(1)进行供冷供暖时，高区负荷侧回水到达高区负荷侧集水器(4)，经由高区负荷侧循环泵(60)通过高区地源热泵机组(1)的进水管进入机组中，在高区地源热泵机组(1)中换热后从机组的出水管中离开，后到达高区分水器(3)，并通过高区负荷供水管送至负荷末端；同时，地源侧回水在地埋管群(9)中换热后到达地源侧集水器(8)，经由地源侧循环水泵(61)与高区地源热泵机组(1)的进水管到达地源热泵机组中，在机组中换热后从机组的出水管中离开，后到达地源侧分水器(7)，并送至地埋管群(9)。
4.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，假设高区系统所需压力为P1，根据高区系统压力传感器(52)检测的压力数值P1’，当P1’-P1<设定值后，启动高区管路补水设备(10)为高区系统补水；假设地源侧管路所需压力为P2，根据第二压力传感器(54)检测的压力数值P2’，当P2’-P2<设定值后，启动地源侧管路补水设备(12)为地源侧管路系统补水。
5.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，当所述太阳能补热子系统处于蓄热水工况时：第六电磁阀(46)、第九电磁阀(49)为开状态，第七电磁阀(47)、第八电磁阀(48)、第十电磁阀(50)、第十一电磁阀(51)为关状态，太阳能集热器(21)产生热水并送至高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)，冷水从高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)流出经过第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)与太阳能集热循环泵返回太阳能集热器(21)；
当所述太阳能补热子系统处于冬季太阳能直接供热工况时：第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)为开状态，第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)为关状态，根据蓄热需求调控第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)；高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)中的热水通过第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)与太阳能直接供热循环泵进入负荷侧分水器，所述负荷侧分水器包括高区分水器(3)和低区分水器(5)，并通过负荷侧供水管进入负荷末端进行换热后再返回负荷侧集水器，所述负荷侧集水器包括高区集水器(4)和低区集水器(6)，再回到蓄热水箱中；
当所述太阳能补热子系统处于秋季土壤跨季节补热工况时：第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)为开状态，第七电磁阀(47)和第十电磁阀(50)为关状态，根据是否进行蓄热调节第六电磁阀(46)和第九电磁阀(49)，高区太阳能蓄热水箱(22)和低区太阳能蓄热水箱(23)中的热水通过第八电磁阀(48)和第十一电磁阀(51)与太阳能跨季节补热循环泵进入地源侧分水器(7)，并进入地埋管群(9)中与土壤换热后再返回地源侧集水器(8)，再回到蓄热水箱中。
6.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，假设太阳能补热子系统所需压力为P3，根据太阳能补热系统的太阳能补热系统压力传感器(57)检测的压力数值P3’，当P3’-P3<设定值后，启动太阳能补热系统补水设备(24)为系统补水。
7.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，所述双工况冷水机组冰蓄冷子系统包括四种运行工况，通过电磁阀(41～45)进行工况的切换：
(1)机组蓄冰工况，第一电磁阀(41)和第三电磁阀(43)为开状态，第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)和第五电磁阀(45)为关状态，高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)中的循环水经过出水口离开，通过第三电磁阀(43)与循环泵进入高区双工况冷水机组(13)、低区双工况冷水机组(14)进行换热，从出水口离开冷水机组通过第一电磁阀(41)返回蓄冰池中；
(2)融冰供冷工况：第一电磁阀(41)、第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)和第五电磁阀(45)为开状态，第三电磁阀(43)为关状态，高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)中的循环水经过出水口离开，通过第四电磁阀(44)进入高区板式换热器(17)和低区板式换热器(18)与负荷侧回水进行换热，换热后从板式换热器出水口离开，依次通过循环泵、第五电磁阀(45)、第一电磁阀(41)返回高区蓄冰池(15)和低区蓄冰池(16)，通过第二电磁阀(42)调节冷水温度；
(3)机组直接供冷工况：第二电磁阀(42)和第四电磁阀(44)为开状态，第一电磁阀(41)、第三电磁阀(43)和第五电磁阀(45)为关状态，高区双工况冷水机组(13)、低区双工况冷水机组(14)制出冷水后，冷水从机组出水口离开，依次通过第二电磁阀(42)、第四电磁阀(44)进入高区板式换热器(17)和低区式换热器(18)与负荷侧回水进行换热，换热后从高区板式换热器(17)和低区式换热器(18)出水口离开，经过循环泵再次进入高区双工况冷水机组(13)、低区双工况冷水机组(14)；
(4)机组与融冰联合供冷工况：第一电磁阀(41)第二电磁阀(42)和第四电磁阀(44)为开状态，第三电磁阀(43)和第五电磁阀(45)为关状态，流体的循环路径为融冰供冷工况、机组直接供冷工况的循环路径的联合，通过电磁阀调节冷水机组直接供冷与融冰供冷承担的负荷比例。
8.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，假设双工况冷水机组冰蓄冷子系统所需压力为P4，冷却塔系统所需压力为P5，根据冰蓄冷系统压力传感器(55)检测的压力数值P4’与冷却塔系统压力传感器(56)检测的压力数值P5’，当P4’-P4<设定值或P5’-P5<设定值后，启动冰蓄冷系统补水装置(72)为冰蓄冷系统补水或启动冷却塔补水装置(20)为冷却塔补水。
9.如权利要求1所述的大规模地源热泵多能互补系统，其特征在于，在所述系统的运行方法中：所述第一时间段为夏季，所述第二时间段为秋季，所述第三时间段为冬季。
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