基于系统能效的复合式地源热泵群控系统探讨

王立乾,罗苏瑜

(国家节能环保制冷设备工程技术研究中心，珠海519070)

前言

复合式地源热泵是一种由地源热泵、水源热泵作为冷热源主体，配合冷却塔、太阳能等辅助冷热源来进行供冷或供暖的一种空调系统。由于涉及到多系统、多设备之间的切换和统一管理，对智能化控制提出了很高的要求。现有的常用空调系统群控方法有温度控制法、压差控制法以及热量控制法[1]等，其缺陷在于，并未从系统的整体能效出发，进行合理的调节以使系统的能效达到最优值。

1 几种现有空调群控模式分析

1.1 供水温度控制模式

控制流程(以制冷工况为例)：根据空调系统中冷冻水供水温度值大小，控制空调机组台数的加减，使机组的运行载荷与末端负荷相符。

特点分析：

1)无法准确反映空调负荷的变化情况。

2)无法对空调运行趋势进行预测并作出合理调控策略，以保证系统始终以较高的能效比运行。

3)装置简单，价格便宜。

图1 供水温度控制流程

1.2 压差控制模式

控制流程：在空调使用侧集水器和分水器之间设置旁通管路，上面设有压差电动调节阀。如果供回水总管之间压差增大，说明空调使用侧的负荷减小，则需增大压差旁通阀的开度。如果供回水总管之间压差减小，说明空调使用侧的负荷增大，则需减小压差旁通阀的开度。

图2 压差旁通控制流程图

特点分析：

1)压差控制模式响应时滞较小，能快速地对供回水压差的变化做出反应，调节时间短。

2)供回水压差变化并不能准确反映系统负荷的变化，无法保证空调使用侧流量始终与末端负荷完全相符。

1.3 热量控制模式

控制流程：首先测量空调使用侧供回水温度和供水流量，然后根据热力学公式计算当前系统末端需要的冷量或热量，再把此冷量或热量值与当前运行空调机组的最大制冷或制热能力进行比较，进行加机或减机操作，从而实现对空调机组的台数控制。

特点分析：

1)可以比较准确地反映末端负荷的变化，使空调机组的制冷或制热能力与末端负荷较好地相符。

2)水系统热量大、惰性大，具有很强的时滞性，当负荷发生变化时，要一段时间后才能反映到温度以及通过温度计算的热量上来。影响了控制系统的及时性[2]。

图3 热量控制流程图

2 系统构成

针对上述控制方法的局限性，提出了一种基于系统能效的复合式地源热泵群控系统，由中央控制器、系统数据库、操作显示界面、远程监控电脑以及传感器、执行器、各设备控制器组成，控制的主体对象为地源热泵与辅助冷热源组成的中央空调系统，其中地源热泵系统可为土壤源热泵、地表水源热泵、地下水源热泵等形式，辅助冷热源可为冷却塔、锅炉、太阳能等。

群控系统的传感器有温度传感器、压力传感器、流量计、湿度传感器等，可以监测空调系统的各项运行参数，并反馈到中央控制器，同时热泵机组控制器以及其它设备控制器将设备的各项参数反馈到中央控制器，中央控制器根据预先写入的程序，判断整个系统的运行状况，提供几种合理的调节策略，利用系统数据库内的相关数据，计算每种调节策略执行后系统运行状况的变化趋势和系统的整体能效比，选择能效比最高的调节策略，发出调控指令，进行设备的调节、启停以及相关水路的切换，保证复合式地源热泵空调系统以高能效比运行。本文以地埋管加冷却塔形式的复合式地源热泵系统为例进行说明。

图4 复合式地源热泵群控系统结构图

3 系统数据库

3.1 系统数据库构成

系统数据库由三个部分组成，包括热泵机组系统数据库、地埋管系统数据库和冷却塔数据库等。每个数据库内有三种参数：直接调控参数、系统运行参数/客观参数以及系统计算参数。

“直接调控参数”是系统调节时可以直接定量控制的参数，“系统运行参数/客观参数”是系统运行时不可直接进行调控的参数，“系统计算参数”为“直接调控参数”与“系统运行参数/客观参数”确定后与之对应的某一参数的值，部分“系统计算参数”也可以作为“系统运行参数”参与其它“系统计算参数”的计算。

“直接调控参数”与“系统运行参数/客观参数”根据其变化范围，按照一定间隔取若干数值，例如机组载荷率的值可以取30%、35%、40%……95%。“系统计算参数”可在系统安装前，通过实验或者模拟计算的方法获取，并且在系统运行过程中可通过自学习的方式来完善。

3.2 系统数据库参数设置

热泵机组系统数据库的直接调控参数有：机组载荷率(单台)、空调侧水流量(单台)、地源侧水流量(单台)；系统运行参数/客观参数有：空调侧进水温度、地源侧进水温度、末端负荷；系统计算参数有：机组制冷/制热量(单台)、机组输入功率(单台)、空调侧水泵功率(单台)、地源侧水泵功率(单台)、空调侧出水温度、地源侧出水温度。

地埋管系统的直接调控参数有：地埋管开启数量、地埋管总流量；系统运行参数/客观参数有：土壤热物性参数、地埋管进水温度；系统计算参数有：地埋管出水温度。

冷却塔系统的直接调控参数有：冷却塔风机频率(单台)、冷却塔水泵流量(单台)；系统运行参数/客观参数有：室外温度、室外湿度、冷却塔进水温度；系统计算参数有：冷却塔出水温度、冷却塔输入功率(单台)。

图5 复合式地源热泵群控系统数据库

4 系统控制逻辑

4.1 提出不同调节策略

中央控制器根据系统运行参数的变化情况，提供几种合理的调节策略，调节策略分为四类：改变机组制冷(热)能力；改变空调使用侧、地下环路侧和冷却塔侧循环水量；改变冷却塔风机频率；改变地下环路开启数量。首先系统检测空调使用侧供水温度Tg、回水温度Th以及流量M信号，根据热力学公式计算空调使用侧冷热负荷.

Q=CM/Tg-Th

(1)

式中：

Q—空调使用侧冷热负荷，W；

C—水的容积比热容，J/(kg·℃)；

Mk—空调侧水流量，kg/s；

Tg—空调侧供水温度，℃；

Th—空调侧回水温度，℃。

然后计算使用侧冷热负荷相对于上一循环周期的增加或减小比率

η=︳Q/Q0-1︳

(2)

式中：

η—使用侧冷热负荷变化比率；

Q—空调使用侧冷热负荷，W；

Q0—上一周期空调使用侧冷热负荷，W。

系统根据空调使用侧负荷的变化比率来调节四类调节策略中的参量，调节幅度与负荷变化比率成正比，在此基础上±10%，再各取两个参数，即每个调节策略共取3个调节参数。四类调节策略可以单独执行，也可任意组合成新的调节策略。

各调节策略的具体操作方式为：改变运行机组台数、调节机组载荷率、改变空调侧运行水泵台数、调节空调侧水泵频率、改变地埋管运行水泵台数、调节地埋管水泵频率、调节地埋管开启数量、调节冷却塔风机频率、改变冷却塔运行水泵台数、调节冷却塔水泵频率。

图6 复合式地源热泵群控系统控制策略

4.2 各调节策略能效分析

对系统提出的几种调控策略进行设定时间内的平均能效分析。即对于每一种调控策略中发生变化的参数进行处理，转化为数据库内与之对应的“直接调控参数”，系统再将当前的“运行参数/客观参数”反馈到中央控制器，控制器在系统数据库内查找与之对应的各项“系统计算参数”并进行系统整体能效比的计算。部分“系统计算参数”又做为“系统运行参数”参与下一次的“系统计算参数”的计算，如机组的地源侧出水温度作为地埋管进水温度和冷却塔进水温度，参与地埋管出水温度、冷却塔出水温度和冷却塔输入功率的计算，同时地埋管出水温度和冷却塔出水温度经控制器处理后又作为机组的地源侧进水温度，参与热泵机组系统各项参数的计算。

由于中央空调系统运行的时滞性，从系统“直接调控参数”变化到“系统计算参数”发生变化需要一定的时间，一般情况下以空调系统循环的一个周期T来计算。

(1)计算设定的时间Ts内，系统整体能效计算的次数N：

N=Ts/T

(3)

式中：

N—能效计算次数，舍去小数位取整数；

Ts—设定计算时间，h；

T—系统循环周期，h。

(2)计算设定时间内每个循环周期的系统能效比：

图7 复合式地源热泵群控系统控制逻辑

εn=∑W1,W1,……Wn/Qn

(4)

式中：

εn—第n个周期内系统整体能效比；

Wn—第n个周期内系统各设备功耗，kW；

Qn—第n个周期内系统制冷(热)量，kW。

(3)计算设定时间内平均系统整体能效比：

ε=∑ε1,ε2,……εn/N

(5)

式中：

εn—第n个周期内系统整体能效比。

以设定时间内平均系统整体能效比ε为系统调控依据，选择并执行平均能效比最高的调控策略，保证空调系统始终以较高的系统整体能效运行。

5 结论

应用基于系统能效的复合式地源热泵群控系统，可以有效地实现复合式地源热泵空调多系统、多设备的启停切换和统一调节管理。

该系统能根据地源热泵系统的运行状况，提供几种合理的调节策略，利用系统数据库内的相关数据，计算每种调节策略执行后系统运行状况的变化趋势和系统的整体能效比，选择能效比最高的调节策略进行调节。解决了压差控制法、温度控制法、以及热量控制法等常规空调群控方法无法根据系统运行状态及时准确地作出调整策略的问题。保证了复合式地源热泵系统始终以较高的系统整体能效比运行。

[1]霍小平.中央空调自控系统设计[M].北京：中国电力出版社,2004

[2] 李玉街,蔡小兵,郭林.中央空调系统模糊控制节能技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2009