负荷侧回水温度控制在地源热泵供热中的应用研究

张长兴胡松涛宋伟彭冬根

(1山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室 青岛 266590；2青岛理工大学环境与市政工程学院青岛 266033；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨 150001；4南昌大学建筑工程学院 南昌 330031)

负荷侧回水温度控制在地源热泵供热中的应用研究

张长兴1胡松涛2宋伟3彭冬根4

(1山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室 青岛 266590；2青岛理工大学环境与市政工程学院青岛 266033；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨 150001；4南昌大学建筑工程学院 南昌 330031)

为研究运行控制策略对地源热泵系统应用节能性的影响，以青岛地区某住宅地源热泵系统为研究对象，将负荷侧回水温度作为热泵机组群控策略的控制指标，对2008～2009年冬季(142天)运行状况进行了动态监测，分析了地源侧和负荷侧在控制策略下的温度响应，对比了典型工作日热泵机组运行台数、系统COP与热负荷的关系。实测结果表明，热泵系统能够根据控制策略的要求，实现热泵机组的自动启停，保证了负荷侧供水温度的稳定性，达到了预期的控制目标，系统的群控策略体现了较强的适应性。热泵系统负荷率在15.6%～32.2%的实际运行工况下，日运行COP值高于2.8，显示了较好的节能效果，为地源热泵系统运行控制策略的制定和机组群控的实现提供了重要的参考。

地源热泵系统；群控策略；热负荷率；负荷侧回水温度；COP

地源热泵系统是可再生源利用的重要形式之一，在我国建筑能源和农业领域得到了较为广泛的应用[1－2]。地源热泵系统运行节能与否，除了与系统设计[3]和施工质量等因素有关外，还与系统的运行控制策略息息相关[4－5]。对于大型的地源热泵系统而言，热泵机组大多数时间处于部分负荷运行且负荷特性复杂[6]，在选用机组设备时，考虑到调节的灵活性和机组的运行效率，设计中多采用小型水—水热泵机组，这对热泵机组的群控策略提出了更高的要求[7－8]。同时，由于热泵系统地埋管换热器换热的特殊性[9]，源侧的水温能否对相应的控制策略有良好的响应，对于地源热泵系统的运行可靠性和节能性具有重要的意义。本文结合住宅地源热泵系统工程，通过实施以回水温度为控制指标的热泵机组群控策略，对系统冬季供热的运行特性和节能性进行实测分析。

1 地源热泵系统概况

本工程为住宅用地源热泵工程，位于青岛市郊。热泵系统为三栋住宅楼提供冷热源，两栋为7层，一栋为6层，建筑面积共计10040 m2，设计空调冷负荷663 kW，空调热负荷402 kW。热泵机组为水-水机组，负荷侧末端采用风机盘管。

1.1 机房设备与地埋管换热器参数

地源热泵系统选用VKC080WR7热泵机组10台，其单台制冷量72 kW，制冷功率15.6 kW；制热量110 kW，制热功率20.5 kW；负荷侧额定流量:12.4 m3/h；源侧额定流量:15.1 m3/h。循环水泵为变频泵、补水泵为定频泵，具体的参数见表1，各类水泵均为一用一备。

表1 水泵参数Tab.1 Water pump parameters

地埋管换热器的数量69个，钻孔深度80 m，直径0.15 m，孔间距5 m。地埋管换热器共分为3组，1＃换热器组钻孔换热器数量为23个，2＃换热器组钻孔换热器数量为24个，3＃换热器组钻孔换热器数量为22个。地埋管换热器采用双U型PE管并联的形式，钻孔内回填材料为含有10%膨润土、90%SiO2砂子的混合物。

1.2 测控系统

地源热泵系统的测控系统采用监控组态软件对现场运行数据进行采集与过程控制，远程实现室外气温、循环水温度、流量、压力和热泵、水泵运行数据的实时监控与储存，并根据控制策略实施系统的运行控制。地源热泵系统的日耗电量采用电度表测得。为了详尽记录变负荷工况条件下热泵系统的温度热响应，外接数据采集器Aglient 34970A实时记录水温的变化，能够直观得观察其实变规律。热泵系统的测控系统示意图见图1。测试系统中相关传感器、测试仪表的型号参数见表2。

图1 地源热泵的测控系统和温度监测示意图Fig.1 Schematic of test and control system and temperature acquisition of GSHPs

表2 测试仪和相关传感器参数Tab.2 Test meter and relative sensor parameters

2 热泵系统的控制策略

由于住宅楼地处市郊，其空调负荷率平时较低，节假日较高，这就要求热泵系统可调节的范围较大，因此，在设计中采用了较多的机组数量，以保证调节的灵活性。由于住宅入住率、业户人员年龄、生活习惯等因素的差异，使空调负荷呈现较大的随机性，负荷侧水压的变化随机性亦较大，这对热泵系统的运行控制提出了更高的要求[10－12]。积极、合理地控制策略，可以通过机组轮换、故障保护、负荷调节等控制程序，避免系统过冷、过热现象的发生，确保机组的安全，延长机组的使用寿命。

2.1 热泵机组的运行控制

热泵机组的控制策略有很多种[12－13]，在实际工程中也暴露了一定的问题[14]。对于住宅地源热泵工程，考虑到热泵机组数量较多，本工程冬季供热时，采用负荷侧回水温度作为热泵机组群控策略的控制参数。在系统启动时，为了避免出现过热，控制系统采用“软启动”的方式，通过限定机组运行数量来减缓机组的启闭速度；在系统运行中，为了平衡各台热泵机组的运行时间，通过比较各热泵机组累计运行时间，控制系统自动调整热泵机组的运行序列。采用以上两种方式，控制系统保障了热泵机组的使用寿命。

在冬季供热模式时，若负荷侧回水温度低于设定温度的波动下限，且正在运行的机组满负荷运行，控制系统从未运行且无故障的机组中延时加载一台累计运行时间最短的热泵机组；如果负荷侧回水温度高于设定温度的波动上限，控制系统从已运行的主机中选择一台累计运行时间最长的机组延时减载。热泵系统供热时的机组控制策略实施过程见图2。

图2 热泵系统供热控制策略实施过程Fig.2 Flow chart of heating control strategy of GCHPs

2.2 循环水泵的控制

循环水泵的控制要与热泵机组的流量要求相一致，考虑到实际工作中热泵机组的启用数量的变化，源侧、负荷侧循环水泵的流量通过变频调节实现大范围的调节，以免造成机组因缺水或流量过大造成压力开关的保护性停机。负荷侧循环水泵的流量变化随热泵机组开启的数量调整，通过PID调节负荷侧集、分水器间的压差控制电动阀适应水泵流量调整引起的扬程变化，保证热泵负荷侧水力工况的稳定。

3 热泵机组群控策略的应用分析

为了检验负荷侧回水温度实施热泵机组群控策略的实用效果，本文测试了地源热泵系统的冬季运行特性。住宅工程为新建建筑，入住率约40%左右，住户以中、老年人为主，考虑到系统的运行节能性，且地源热泵系统为首次供暖运行，开启了全部地埋管换热器群组。冬季供暖时间为2008年11月15日至2009 年4月5日，共计142天。热泵系统的控制策略设定为:冬季负荷侧回水温度设定参数为40±1℃，数据存储装置参数采集时间间隔和Aglient 34970A的温度采集时间间隔均为15 min。

3.1 日运行工况热泵机组的台数控制

在冬季采用风机盘管采暖时，人们往往倾向于设定室内温度后24 h开启，这与系统供冷时有较大的差异，因此，冬季的供暖热负荷与室外气象参数的动态变化具有较强的一致性，人的行为管理方式对建筑热负荷影响较小。

为了分析地源热泵系统控制策略的实施过程，取2009年1月27日的运行数据进行分析，当日为农历年初二，供暖热负荷较高，实测供热负荷为129.4 kW，负荷率为32.2%。最高室外温度为9.24℃，出现在15:30，最低为5.16℃，出现在凌晨6:00，日温差为4.08℃。图3为2009年1月27日实测的负荷侧、源侧的24 h供、回水温度变化和对应的热泵机组运行台数。由图中可以看出，通过系统群控策略的实施，热泵机组的负荷侧供水温度持续保持在45℃左右，回水温度控制在40℃左右，尽管室外温度有较大变化，系统的负荷侧供水温度通过热泵机组的增减能够保持在稳定的水平。当热泵机组增减时，源侧回水温度有良好的响应，随负荷侧供水温度的增加而相应降低，随负荷侧回水温度的降低而升高；只是由于地埋管换热器的缓冲作用，波峰波谷均有所减小。随着气温的升高，热泵机组的增减频率明显降低，气温越低，机组的增减频率越高。从0:00至上午13:00，气温相对较低，热负荷相对较高，出现了热泵机组多次增减的情况。系统最多时启动3台机组，同时运行的总时间为1 h；2台机组同时运行的总时间为5 h；单台机组运行总时间为7 h，约占总运行时间的54%。当增开或停运一台机组时，负荷侧供水温度变化的响应时间滞后约15 min左右。在气温相对较高的12: 30至16:15，系统保持单台机组运行状态，负荷侧供、回水温度持续降低，直至16:00的负荷侧回水温度为38.9℃，系统16:15增加1台机组。从16:15至24: 00，随着气温的降低，又出现了机组增减的情况，只是相对于0:00至上午13:00时段，增减的频率明显降低。晚上18:00以后，机组的台数开始转变为2台增减运行状态，3台机组运行时间共计1.25 h，较凌晨时段有所增加。

图3 机组运行台数与负荷侧、源侧供回水温度的变化Fig.3 Number of operating machines and variation of inlet and outlet water temperatures in evaporator and condenser in typical day

3.2 热泵机组群控策略的适应性

为了研究不同热负荷状况下热泵机组群控策略的适应性，对系统在2008年11月27日至2009 年3月27日每间隔一个月的日运行特性与2009年1月27日的数据进行对比分析。图4为5天的热泵机组日运行时间对比图。可以看出，建筑的热负荷直接决定着热泵机组的开启台数与运行时间，2台以上同时运行的总时间均没有超过51%；2008 年11月27日最多开启2台热泵机组即可满足供暖的要求，随着热负荷的增加，3台机组同时运行的时间随之增加，2009年1月27日以后，随着天气转暖，建筑热负荷的降低，3台机组同时运行的时间随之降低，至3月27日运行1台热泵机组即可满足供暖的要求。

就当天的热负荷而言，1月27日对应的热负荷最高，3台机组同时运行的时间最长。2008年12月27日的热负荷较1月27日低，3台机组同时运行的时间减少，但2台以上运行的总时间较1月27日增加22.5%，这与当日对应的热负荷强度和持续时间有关。而与2009年2月27日相比较，2台以上运行的总时间相等，但由于热负荷高，3台机组同时运行的时间增加50%。

根据以上分析，地源热泵系统能够按照控制策略的要求，以负荷侧回水的设定温度为基准，自动实施热泵机组的启停控制，与建筑热负荷的变化保持一致，满足了室内温度的要求，热泵机组的群控策略在冬季供暖中显示了较强的适应性。

图4 热泵机组日运行时间对比图Fig.4 Contrast of daily operating time of machine

3.3 地源热泵系统的节能性

在地源热泵系统群控策略实施时，需要根据负荷侧回水温度的变化频繁启停热泵机组，客观上增加了热泵机组的电耗，因此，研究系统的节能性是十分必要的。图5为地源热泵系统COP、机组COP、机组源侧的日平均进水温度与负荷率的关系图。在热泵机组负荷侧回水温度相对稳定的情况下，热泵机组的能耗对源侧的进水温度最敏感，图5中的热泵机组COP与源侧热泵机组的日平均进水温度变化趋势一致，2008年11月27日的日平均进水温度最高，其对应的机组COP亦相应较高，随着供热的进行，日平均进水温度逐渐降低，至2009年1月27日达最低值，由于此后建筑热负荷强度逐渐降低，地温度处于动态恢复过程，日平均进水温度逐渐升高，热泵机组COP亦相应增加。

图6为地源热泵系统各分项能耗的逐日变化图，可以看出，热泵机组的能耗变化与图4中热负荷的逐日变化趋势相同；就分项能耗而言，热泵机组的能耗在系统总能耗中所占比例较高，水泵能耗所占比例均低于25%，图5中2009年3月27日最低负荷率时，其对应的水泵能耗比例最高，系统COP值最低。在2009年1月27日热负荷率最高时，水泵能耗所占比例最低，即使热泵机组能耗值最高，系统仍能保持较高的COP值。

图5 地源热泵系统COP、机组COP、机组的日平均进水温度与负荷率的关系Fig.5 Relation between load rate and daily average inlet water temperature of machine condenser，COP of machine，COP of GSHPs

图6 热泵机组能耗、水泵能耗与水泵能耗占总能耗比例的逐日变化Fig.6 Daily variation of heat pump energy consumption，circulating water pump energy consumption and its ratio

热泵系统的COP确定需要计算源侧和负荷侧的水泵耗电量，因此热泵系统的COP低于机组的COP值。根据系统群控策略，系统随热泵机组的启停自动调整源侧和负荷侧的水泵运行状态，以防止热泵机组因缺水而造成停机。由于水泵能耗不同(如图6)，系统COP与机组COP的变化趋势并不一致，虽然2009 年1月27日对应的机组COP最低，但系统COP最高，此时，热泵系统的热负荷率对系统COP起到了主导作用，热负荷率越高，系统COP就越高。在本例中，地源热泵系统处于低负荷率运行状态，最高为32.2%，系统COP为3.3；而2009年3月27日对应的最低负荷率为15.6%，系统COP仅为2.8。可见，由于住宅建筑负荷的特殊性，热泵系统的负荷率对于系统是否能够节能运行有重要影响。在这种控制策略的实际应用中，负荷率越高，系统的节能效果越明显。在本例中，通过设置多台热泵机组的设计措施和采取有效的机组群控策略，热泵系统显示了较好的节能效果。

4 结论

为了检验以负荷侧回水温度为基准实施热泵机组群控策略的应用效果，本文对某住宅地源热泵系统的冬季供热的运行特性进行了实测分析，结果表明，热泵机组的群控策略显示了较强的适应性。得到以下结论:

1)建筑热负荷是随室外气象条件而变化的，而热泵系统的设计及设备选型是按最不利工况进行的，通过实施以负荷侧回水温度为基准实施热泵机组群控策略，热泵系统能够根据热负荷的实时变化，自动调整热泵机组的启停，实现了机组的“分级”运行，保证了系统供热的稳定性。

2)当实测负荷率在15.6%～32.2%范围内，热泵机组群控策略的实施有效确保了系统的日平均COP高于2.8，高点负荷率较低点负荷率对应的系统COP提高了17.9%，在住宅建筑热负荷率较低的情况下，地源热泵系统显示了较好的节能效果。

3)住宅建筑热负荷率较低时，在供热季内由于控制措施得当，土壤温度可部分动态自恢复，这对于提高热泵机组的COP，降低地源热泵系统的能耗具有一定的积极作用，该问题的定量研究有待于通过实测土壤温度的变化进行分析。

本文受江西省科技支撑计划(20123BBG70195)资助。(The project was supported by Jiangxi Province Key Technologies R＆D Program(No.20123BBG70195).)

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Application of Load-side Return Water Temperature Control Strategy in Heating Operation of Ground-coupled Heat Pump System

Zhang Changxing1Hu Songtao2Song Wei3Peng Donggen4

(1.Shandong Provincial Key Laboratory for Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，266590，China；2.School of Environmental and Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao，266033，China；3.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin，150001，China；4.School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang，330031，China)

In order to realize the energy-saving potential of GCHPs，an appropriate control strategy must be developed and adjusted for each unique installation.This paper presents a control strategy for heating operation of GCHPs for a residential building in Qingdao，in which load-side return water temperature is applied as parameter in controlling the numbers of operating heat pump units.The heating performance of GCHPs is investigated throughout the whole heating period in winter(142 days).The water temperature response in groundsource side and load-side under the control strategy is analyzed，and the relation between heating load and coefficient of performance (COP)of GCHPs is compared when the number of operating heat pump units is different in typical day.The GCHPs performs space heating with high energy efficiency(COP＞2.8)under lower building heating load rate range(15.6%～32.2%)，which proves the adaptability of the control strategy of GCHPs.The study conclusion provides the references for the design and application of control strategies in GCHPs.

GCHPs；control strategy；heating load ratio；load-side return water temperature；COP

TU111；TK52；TQ<051.5 class="emphasis_bold">051.5 文献标识码:A051.5

A

0253－4339(2014)05－0019－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.019

张长兴，男(1977－)，博士，讲师，山东科技大学土建学院，(0532)86057593，E-mail:zcx952＠163.com。研究方向:建筑节能及可再生能源利用。现在进行的研究项目有:国家自然科学基金项目——太阳能溶液分级集热再生与空气预除湿耦合作用机理等。

国家自然科学基金(51266010)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51266010).)

2013年10月23日

About the corresponding author

Zhang Changxing(1977－)，male，Ph.D./lecturer，College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，(0532)86057593，E-mail:zcx952＠163. com.Research fields:building energy conservation and renewable energy utilization.The author takes on project supported by National Natural Science Foundation of China:solar energy solution fractionation collector regeneration and air pre-dehumidification coupling mechanism.