水/地源热泵监控系统

文｜北京江森自控有限公司 黄志波 罗启军 沈昭华

1 水/地源热泵工作原理及设备

水/地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、河流、湖泊、土壤或地表水等）或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）实现可供热、可制冷的高效、环保、节能的空调系统。

地球表面浅层水源（一般深度在1000m以内）和土壤源，如地下水、地表的河流、湖泊和海洋以及土壤中，吸收了太阳辐射出的大量能量，温度一般都十分稳定。水/地源热泵系统在夏季将建筑物中的热量“吸取”出来，释放到水体或土壤中去，由于水源或土壤温度低，所以可以高效地带走热量，以达到为建筑物制冷的目的；在冬季，则是通过热泵机组，从水源或土壤中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

水/地源热泵系统具有如下优点：

（1）采用清洁能源技术。水/地源热泵技术利用储存于地表浅层的可再生能源，为人们提供供暖空调。在利用地下水以及地表水源的过程当中，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，几乎不会对原有水源造成污染。所以水/地源热泵是一种清洁能源，是可持续发展的“绿色装置”。

（2）经济有效的节能技术。地球表面、浅层水源及土壤源的温度一年四季相对稳定，水源一般为10℃～25℃，冬季比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比高；夏季比环境空气温度低，制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率高。一般情况下，水源热泵的制冷、制热系数可达3.5～5.5。传统锅炉（电、燃料）供热系统只能将90%以上的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，效率比水源热泵差很多。而传统的空气源热泵的制冷、制热系数通常为2.2～3.0，而且在冬季环境温度过低时，空气源热泵将无法工作。据统计，水源热泵方式的能量利用效率比空气源热泵高出40%以上。

（3）系统运行稳定、可靠。地球表面或浅层水源及土壤源一年四季温度较恒定，其波动的范围远远小于空气的变动。使得水源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

（4）环境效益显著。开发推广水/地源热泵技术，可代替中小型燃煤锅炉房。水/地源热泵装置没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，没有任何污染，不会影响城镇的环境质量。

从构成上来讲，水/地源热泵空调系统主要由三部分组成：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。地源热泵工作流程图，如图1所示。

（1）冷热源侧系统

冷热源侧系统主要是指从水源热泵机组到取水终端或埋管终端的所有设备及管路系统。对于地下水水源热泵空调系统而言，冷热源侧系统主要指取水井、回灌井以及从水井到水源热泵机组之间的辅助设备和管线；对于地表水水源热泵空调系统而言，冷热源侧部分主要指河流、湖泊较稳定的适合水源热泵使用的水体，以及从水源到水源热泵机组之间的辅助设备和管线；对于埋管式土壤源应用系统而言，冷热源侧系统主要指从土壤源到水源热泵机组之间的管线及辅助换热设备。

图1 水地源热泵工作流程图

（2）水/地源热泵机组

水/地源热泵机组是整个水/地源热泵空调系统的核心部分，其主要部件为压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等。机组通过阀门的切换来实现冬夏季节的工况转换，如图2所示。

（3）用户侧系统

水/地源热泵系统的室内末端分配系统选择相当灵活，可以采用多种方式，如风机盘管、地板采暖、全空气系统等。

室内末端分配系统一般要求既能供热又能供冷，设计时必须两者兼顾。水/地源热泵系统通常采用吊顶上送风和地板四周下送风两种类型的送风系统。

2 水/地源热泵控制工艺与控制策略

水/地源热泵系统不是单独的设备，经常是在多种设备、多种工况的复杂条件下联合运行，系统的正常、安全、节能运行需要依靠一套成熟稳定的控制系统来进行管理。控制系统的功能主要有以下三类：

（1）水/地源监控

对水/地源热能载体的温度、压力、流量、水质进行检测控制，以确保满足热泵机组的运行要求。这里有通过在水/地源侧进出水总管上设置温度传感器，检测通过释放或吸收地热后的水温差；通过总管上的流量计测出冷却水总流量；在一个制冷季和制热季后，根据总管的进出水参数得出地源热泵一年中向土壤吸收和排放的热量，并结合土壤热电偶所测温度，进一步优化调整下一个制冷季和制热季时地源热泵的启停动作参数，从而使地埋管周围的土壤温度维持平衡。

（2）运行状态监控

对水泵、阀门、机组的状态、故障、能耗及参数进行监测，实现远程控制。主要包括启停控制、工况控制、压差控制和显示报警等。

① 启停控制

图2 水/地源热泵机组冬夏季工况转换

整个水/地源热泵系统的启停控制，必须严格按照工艺要求的系统连锁启动顺序：冷却水（地埋管）环路——冷冻水环路——热泵机组。还需自动记录各机组和水泵的运行小时数，每次优先启动运行小时数少的机组和水泵。

②工况控制和压差控制

根据当地天气情况灵活设定热泵机组的制冷工况和制热工况的时间。且当建筑负荷较低时，首先启动一台水/地源热泵机组，当冷负荷增大、且根据冷水供回水管检测参数计算出的实时冷负荷超过热泵机组的额定量时，第二台机组投入运行，反之亦然。此外，根据设定压差控制负荷供水流量，以适应末端环路的负荷变化。

（3）显示、报警

主要包括机组和设备运行状态（启、停）显示，故障报警；各温度、压力、流量监测点测量值显示和记录；瞬时冷量和累积流量的显示和记录；冷水供回水压差显示，高限报警；机组和设备的运行小时数显示与记录等。

（4）节能优化

控制系统可对整个水/地源热泵系统的联动、节能运行进行优化，使其根据实际情况达到最佳的运行状况。其中，在水/地源热泵空调系统中使用变流量水系统，可以实现空调负荷的实时跟踪，降低不必要的能量消耗，并且通过运用变频调速技术使水泵和风机根据系统负荷不断调整流量，实现室温的精确控制，使空调系统处于负荷匹配的理想运行状态。水/地源热泵系统结构图，如图3所示。

3 水/地源热泵监控系统

水/地源热泵系统的节能运行对自动控制的依赖程度很高，只有精准的控制才可以产生很好的节能效果，而自动化控制技术的实施离不开先进的监控设备。本节将重点介绍使用于水/地源热泵系统的主要监控设备及其使用条件。

（1）监控系统的结构，如图4所示。

图4 水/地源热泵网络结构图

地源热泵监控系统一般采用分布式集散控制方式的三层网络结构：现场层、控制层、管理传输层。DDC至现场设备为现场层，DDC与DDC之间的通信层为控制层，主机之间通信层为管理传输层。

（2）水管温度传感器

图3 水/地源热泵系统结构图

电子式温度传感器及变送器根据空气或水的温度提供有源信号或无源信号，它们广泛应用于HVAC领域。该类温度传感器和变送器可提供0～10V 信号与所感应的温度成正比，或提供NTC 或Pt 100的无源电阻信号。其特点为外壳及输出信号范围广；并具有IP 54保护等级外壳。 如图5所示。

图5 水管温度传感器

（3）水管压力传感器

水管压力传感器主要应用于冷冻水供回水总管及末端压差管路，根据检测到的水管压差来控制系统供水流量，以适应末端环路的负荷变化。同时，也可通过安装在板式换热器两端进出水的压差变化来判断换热器是否存在阻塞状态。

一般在系统中所用的电子式压力传感器为紧凑坚固型压力变送器，其输出模拟信号与所感测的压力成线性关系。传感器内电气部分与环境隔离，不受温度变动、高湿、冷凝及结冰影响，可靠性高，重复性好且寿命长。如图6所示。

图6 水管压力传感器

（4）流量计

流量计应用于冷冻水和冷却水的供水或者回水总管，检测冷冻水和冷却水的水流量，进而计算系统的总制冷量以及地源热泵一年中向土壤吸收和排放的热量，一般使用电磁流量计来检测水流量。电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在水管管路上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制。如图7所示。

图7 流量计

（5）DDC控制器

DDC控制器是整个控制系统的核心，是系统实现控制功能的关键部件。其工作过程是：控制器通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）采集实时数据，并将模拟量信号转变成计算机可接受的数字信号（A/D转换），然后按照特定的控制逻辑进行运算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制设备的运行。 如图8所示。

图8 DDC控制器

（6）监控软件

监控软件的应用程序和数据服务器对水/地源热泵系统的数据收集进行管理，实现实时显示、趋势显示、事件消息、管理员记录和系统设置数据的长期储存等，同时为网络控制引擎和网络集成引擎所在的网络提供安全的通信。

带有数据服务器的系统用户监控界面具有灵活的系统浏览、用户图形、综合报警管理、趋势分析和总结报告功能。用户可以通过网络浏览器有效地管理舒适度和能源使用以及对危急事件作出快速反应，并且使控制策略达到最佳。监控系统可以实现多用户并发访问水/地源热泵系统的信息，并与企业级别的通信网络相兼容。

（7）网络控制引擎

网络控制引擎是一种基于Web的网络控制器，采用信息技术和互联网协议进行通信。同时由于采用了建筑自动化行业的网络技术，如BACnet协议、LonWorks协议等，使其可以监控和管理加热、通风、空调等设备，及灯光、安防、门禁等系统的运行。

建筑物内单一或多个网络控制引擎可以提供监控、警告和事件管理、数据交换、趋势分析、能量管理、时间表以及数据储存。它支持单一或多个Web浏览器用户界面，并采用了密码授权以及 IT行业的安全保护技术。

4 水/地源热泵监控系统设计和实施要点

水/地源热泵中央空调计算机节能监控系统设计的目标是满足用户制冷、制热和热水供应需要的同时，又能最大程度地节约电能。总体方案的构建是否合理有效，决定了控制系统能否成功实现。系统应根据水/地源热泵空调的运行模式进行设计，并遵循以下原则：

（1）控制系统应满足节能要求。由于水/地源热泵空调系统的设计负荷量与实际负荷需求量之间的有较大差异，设计的控制系统应尽量避免空调系统在“小温差大流量”的不利工况下运行。

（2）控制系统应稳定可靠。水/地源热泵空调系统部分设备安置在室外，为确保其长期稳定运行，控制系统的可靠性一定要高。

（3）与其他设备匹配。水/地源热泵空调中的压缩机、加热器等设备均建立在负荷分配基础上，应保证控制系统与它们相互匹配。

（4）智能化程度高。水/地源热泵空调系统的运行环境极为复杂，控制系统应能完成室内外环境温度和湿度、地热水温度、热泵机组出口水温以及流量的实时测量，并在此基础上计算各种负荷及焓值等，智能自动地进行逻辑判断和运行控制，以跟随系统负荷变化，对系统作出最佳工况分配。

控制系统通过安装在现场的各类传感器，检测室内外环境温度和湿度、地热水温度、地热出口水温及流量、冷冻水的进出口温度和流量等参数，并将这些测量到的模拟数据转换为数字信号后送给控制器。控制器通过PID或其他控制算法进行运算之后发出相应的控制指令。由控制中心实施对冷冻水泵和冷却水泵的变台数及变频控制，同时具有与空调主机联锁自动控制功能，可控制调节温度和湿度。系统还可附加键盘、显示电路和故障报警电路等作为优化。

在监控管理层，采用工控机作为上位监控机，与下位机进行接口通信。上位机的作用是对水/地源热泵空调系统进行远程集中操作控制。管理人员可以通过上位机方便地查看空调现场系统运行状况，对水泵、风机等电机设备进行参数设定和实时控制。利用工控机强大的数据存储能力，还可将系统运行的各种历史数据存储在计算机的数据库中。这些数据对空调的运行优化具有指导意义，计算机可以用这些历史数据产生相应的各种参数报表，可供随时查询和打印。

在现场控制层，DDC设备通过特定的通信协议与上位工控机通信，将现场采集到的信息传送给上位机，上位机在对这些信息进行分析处理之后发出控制命令传回给DDC设备控制器，由DDC对现场设备进行直接控制。同时，DDC设备可以分别对深井水泵、循环水泵和风机等进行启停控制或电机转速设定。电机设备完成启动之后，即使DDC设备与上位机发生通信故障，系统依然能够正常运行。

现场数据采集变送层位于控制系统的最底层，设置有多种信号传感器及变送器，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。利用传感器采集地热水进出口水温、地热水出水压力、热泵出水温度和回水温度、风机送风温度和回水温度、室内外的温湿度等信息，并由变送器将这些温度、压力、湿度等物理量转换成电流或电压信号再传送给DDC控制器进行数据处理。

系统通过现场数据采集得到水/地源热能载体的温度、压力、流量等参数，计算得出地源热泵一年中向土壤或水源吸收和排放的热量，优化调整下一个制冷季时水/地源热泵的运行参数，从而使地埋管周围的土壤温度维持平衡，避免出现全年吸、放热不均导致的土壤和水源热堆积问题。

5 工程案例

2010上海世博会“城市最佳实践区”是世博会的创新项目之一，也被视为上海世博会的一大亮点。 “城市最佳实践区”采用了目前各种最先进的技术，是高科技、新技术、新能源的示范展示项目区。城市最佳实践区世博会时期总建筑面积14.6万平方米，总冷负荷3.2万千瓦；世博会后总建筑面积35万平方米，总冷负荷4万kW，总热负荷1.4万千瓦。在“城市最佳实践区”利用黄浦江水实现江水源热泵（冷水）机组系统，是上海世博会最大的水源热泵项目。

整个实践区内有近40栋单体展馆，所有展馆的空调冷热水由一个集中的能源中心供应，其中最远处的展馆离能源中心3km。能源中心有1台9103kW离心式江水源热泵机组、2台2096kW螺杆式江水源热泵机组、4台7032kW离心式江水源冷水机组、3台江水源溴化锂机组，由13台二次变频水泵将空调冷热水直接输送到实践区内的各个单体展馆。区域供冷/热、江水源、建筑物的多样性以及会中和会后负荷的差异决定了能源中心能源管理非常复杂，如何保障整个系统高效、节能、安全、自动运行是整个能源管理系统的关键。如图9所示。

图9 世博会能源中心自控网络拓扑图

由于黄浦江水质较优，基本可满足水源热泵机组循环水的要求，同时考虑到腐蚀、清洗等因素可以解决的条件下直接式系统的效率要优于间接式系统。因此，此项目采用江水直接进入机组的方式；另外为防止江水中所含的腐蚀性离子对换热器造成腐蚀，机组换热管采用铜镍换热管。制冷及制热的设计参数如下：

制冷：蒸发器侧冷冻水供回水温7/12℃；冷凝器侧江水供回水温32/35 ℃；

制热：冷凝器侧热水供水温度50℃；蒸发器侧江水供回水温4 / 7℃。

世博能源中心控制策略分为夏季供冷模式、冬季供热模式、冷热水输送系统和冷水机组自动清洗系统控制策略。

（1）夏季供冷模式控制策略

在供冷模式下，所有机组都使用江水作为冷却水源。江水的温度会受到室外温度变化的影响，即机组的冷却水温度有所波动。同时作为区域供冷项目，供冷系统的总负荷较大。从可靠性原则出发，先开离心式热泵机组供冷，同时考虑节能原则，因为离心机组的效率高于螺杆机组，负荷增加时离心式江水源机组优先加机上载，螺杆式江水源热泵机组最后加机上载。卸载时则优先减机卸螺杆式江水源热泵机组，接着是离心式江水源机组，最后减机卸载离心式热泵机组。机房控制系统保证冷冻水供水温度6℃。

整个冷冻水系统的负荷变化体现在冷冻水量需求的增加和减少上。当系统负荷增加时，系统用户侧水量需求增加，机房系统旁通管水流方向为部分回水至送水，导致冷冻水供水温度增加，以使得机组供冷负荷增大，当增大到当前机组不足以满足负荷需求时，再增加一台机组供冷。当系统负荷减少时，系统用户侧水量需求减少，机房系统旁通管水流方向为供水至回水，导致冷冻水回水温度降低，机组减载，当负荷降低到一定值时，减少一台机组供冷。机房控制系统根据冷冻机组本身的运行负荷与建筑负荷之间的关系，来决定机组的加机和减机。

相对于离心机组，螺杆机组不存在喘震问题。因此在极端低负荷情况下（供冷负荷＜2110kW）时，开启螺杆机组单独供冷。

由于采用江水作为冷却水源，机组的冷却水进水温度不会因机组增加或减少而变化。因此冷却水泵根据冷水机组的启停相应启停，保持一致，采用定频水泵。同时系统设计采用一次泵和二次泵系统，因此一次冷冻水泵的启停也和冷水机组的启停保持一致。由于供冷和供热模式下输送水流量变化不大，因此采用定频水泵。

（2）冬季供热模式控制策略

在供热模式下，设计使用1台离心式热泵机组和1台螺杆式热泵机组满足供热要求，两台机组都使用江水作为蒸发器水源。作为区域供冷项目，供冷系统的总负荷较大。从可靠性原则出发，同时考虑节能原则，先开离心式热泵机组供热。负荷增加时螺杆式江水源热泵机组加机上载，卸载时则优先减机卸螺杆式江水源热泵机组，接着减机卸载离心式热泵机组。机房控制系统保证热水供水温度50℃。

热水系统的负荷变化体现在水量需求的增加和减少上。当系统负荷增加时，系统用户侧水量需求增加，机房系统旁通管水流方向为部分回水至送水，导致热水供水温度减少，以使得机组供热负荷增大，当增大到当前机组不足以满足负荷需求时，再增加一台机组供热。当系统负荷减少时，系统用户侧水量需求减少，机房系统旁通管水流方向为送水至回水，导致热水回水温度升高，机组减载，当减少到一定负荷时，减少一台机组供冷。机房控制系统根据冷冻机组本身的运行负荷与建筑负荷之间的关系，来决定机组的加机和减机。

在极端低负荷情况下，开启螺杆机组单独供热。当实际供热负荷超过设计的供热负荷时，开启锅炉作为辅助供热。机房控制系统保证热水供水温度50℃。由于燃气成本较高，因此一旦负荷下降至设计负荷以下，关闭锅炉供热，以符合节能原则。

（3）一次/二次冷冻水/热水输送系统控制策略

能源中心冷冻水、热水系统采用一次/二次水系统。从可靠性原则出发，机组的一次水泵为定频水泵，流量维持恒定，同时用户侧的流量需求变化不影响机组，机组的运行安全性增加。同时，考虑到是区域供冷项目，输送距离较长，水泵的能耗较大。从节能原则出发，负责远距离输送的二次泵采用变频泵。

在系统用户侧安装压力传感器，采集压差变化情况。通过自控系统，采集的压差信号传递至机房控制系统。机房控制系统根据用户侧的压差变化，调节二次泵转速，提供系统需要的水量，达到节能效果。

同时，为更好地监测整个输送水回路的状况，在整个输送水路每隔一段距离放置温度传感器和压力传感器，采集的信号送至机房控制系统。通过这些信号，控制系统判断温升及水力平衡情况，保证系统运行的可靠安全。同时当监测到低负荷时，控制系统可以适当提高冷冻机组的供水温度，以提高冷水机组效率，节省能耗。

（4）冷水机组自动清洗系统控制策略

江水源系统在拥有高效节能、环保减排等一系列优势的同时，也存在江水水质低下，导致污垢在热交换管路中淤积，降低热交换效率的问题。因此，需要在冷却水进水系统中设置清洗装置，本项目采用的是环保球自动清洗系统。小球清洗的整套装置自带控制系统，通过接口，机房自控系统和小球清洗系统的控制系统连接，采集相应参数。冷却水处理流程示意图，如图10所示。

在冷却水系统中，环保球通过双循环运转清洗热泵机组的换热管路：球注入循环和球回收循环。在球注入循环中，球注入泵从冷却水供水管中抽水，注入球回收器中，球通过直喷式喷嘴被释放，进入冷凝器进水管。橡胶小球的直径比冷凝器管子的内径稍大一点，在系统压力下，小球被迫通过管子，沉积的污垢也随之被带走清除。在球注入循环结束的同时，球回收循环就会开始，球注入泵停止后，球回收泵会将小球从滤隔器处回收。球滤隔器防止小球流到江水中，小球被收集到回收器中，等待下一次循环。而被球回收泵吸收的冷却水将被释放回冷却水循环管路中。

图10 冷却水处理流程示意图

目前，整个水源热泵系统运行正常，进出水温度和流量均十分稳定。黄浦江夏季水表层温度为32℃～26℃；冬季在最冷的环境下，水表层温度为6℃～8℃；这种温度特性使黄浦江水成为水源热泵理想的冷热源。整个监控系统根据实际的水温情况自动调节水阀开度来满足建筑内冷负荷的变化需求，并及时调整制冷主机的开启台数与运行状况。

通过能耗软件的模拟计算能源中心采用水源热泵系统比传统的空调系统（使用冷却塔）节能26%，其节能量非常可观，同时，由于充分利用了黄浦江水的优良水质与水温，称得上是真正的“绿色、环保”的能源模式。

6 结束语

水/地源热泵系统的正常运行离不开自动控制技术，有效运用建筑设备监控系统是实现节能运行的保障。