地源热泵装置控制方法研究

赵同兵

摘要：地源能在城市和工业厂区供暖供冷领域已经呈现出了蓬勃发展的趋势。结合在分布式能源系统中地源热泵装置的实际应用，来实现工业园区的分布式能源冷热能的互补。该文主要研究了地源热泵装置在工业园区能源系统中，实现“一键启停操作”的自动调节的控制策略，简化了操作，通过运算调节控制，实现降本增效、节能环保的目的，具有重大的现实意义。

关键词：地源能;地源热泵;一键启停操作（一键操作）

引言

随着我国经济的快速发展，传统能源的需求越来越大，伴随而来的是更加严重的污染问题;目前国家正在大力推动新能源的开发和利用，地源能就是其中之一。地源热泵目前在城市和厂区供暖供冷领域已经呈现出了蓬勃发展的趋势。

1地源热泵装置

1.1装置介绍

地源热泵装置主要遵循逆卡诺原理，即从外部供给热泵较小的耗功，同时从低温环境中吸收大量的低温热，热泵就可以输出高温热能，并送到室温环境中去，从而将低温热间接利用起来。热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备，可以把消耗的高品位电能转换为3倍甚至3倍以上的热能，是一种高效供能技术。热泵技术在空调领域的应用可分为空气源热泵、水源热泵以及地源热泵三类。

由于热泵是提取自然界中能量，效率高，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济的能源利用装置。冬天热泵中制冷剂正向流动，压缩机排出的高温高压气体进入冷凝器向集水器中水放出热量，相变为高温高压的液体，在经热力膨胀阀节流降为低温低压的液体进入蒸发器，从地下循环液中吸取低温热后相变为低温低压的饱和蒸汽进入压缩机吸气端，由压缩机压缩排出高温高压气体完成一个循环。如此循环往复将地下低温热能“搬运”到集水器，从而不断的向用户提供45～50℃的热水，对用户房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用，大地土壤提供了一个很好的免费能量存储源泉，这样就实现了能量的季节转换。

夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温，同时储存热量，以备冬用。夏天热泵中制冷剂逆向流动，与用户换热的冷凝器变为蒸发器从集水器的低温水（7～12℃）提取热能，与地下循环往复连续地向用户提供7～12℃的冷水。

1.2优点

1）地源热泵系统高效节能环保。

夏天制冷，地源热泵空调比普通中央空调节能30%左右;冬天供暖，地源热泵比燃气锅炉节能40%左右。地源热泵空调供暖，不需要锅炉，没有废气、废渣、废水排出，有利于环境保护。其供暖时，能量70%以上来自浅层地能，制热系数高达3.5-4.5，而锅炉仅为0.7-0.9，可比锅炉节省70%以上的能源和40%—60%运行费用。

2）地源热泵系统安全无隐患。

普通氟系统中央空调系统，制冷剂长期缓慢泄漏是难以避免的，影响室内环境，危害家人健康。地源热泵系统以水为媒介传递冷量和热量，更加安全，无健康隐患。

3）地源热泵系统可一机多用。

地源热泵系统可以一机多用，可以满足制冷、供暖、生活热水等多方面的需求，减少了多套设备带来的各种空间、外观问题。

4）地源热泵系统寿命更长维护方便。

地源热泵机组使用寿命长，一般室外地下换热部分寿命为50年，地上热泵机组寿命为25年。普通中央空调室外机寿命和燃气锅炉使用寿命10年左右，而且氟空调外机与内机一一对应，不能任意更换，维修困难。

5）地源热泵系统不受极端天气影响。

地源热泵系统因为依靠地下土壤换热，不受环境温度影响，运行更加稳定，极端天气时，制冷供热几乎无影响，室内照样舒适宜人。

6）地源热泵系统无噪音污染。

普通中央空调外机露天安装，环境噪音大，而地源热泵主机安装地下机房里，环境噪音可以忽略。

7）地源热泵系统综合性价比高。

通过计算300m2以上别墅地源热泵系统的安装费用，略高于普通中央空调，但地源热泵系统高效节能使用费用较少，高出部分的安装费用通常2～3年内，即可通过节省电费收回。

1.3缺点

1）地源热泵系统初期投资大。

2）地源热泵系统打井需要有足够的花园空地。

3）地源热泵系统安装复杂，对于地源热泵安装公司的要求较高。

1.4地源热泵装置的控制系统组成

地源热泵装置的控制系统主要包括：地源侧能源循环系统、地源热泵主机系统、用户侧末端循环系统（含锅炉补充系统）。其中，地源侧能源循环系统由2台地源侧补水泵、3台地源侧循环泵、2台地源水集分水器组成;地源热泵主機系统由冬、夏季工况控制阀门、热泵机组入口调节阀、热泵机组组成;用户侧末端循环系统由2台用户侧补水泵、3台用户侧循环泵、2台空调水集分水器、锅炉热量补充系统组成。

2逻辑联锁控制

2.1循环泵

地源侧循环泵由3台变频泵组成，其中1#循环泵，2#循环泵分别对应1#，2#热泵机组，3#循环泵为备用泵。循环泵的操作分为就地和远程两种控制模式，在远程状态下即可手动操作启停也可根据“一键启停操作”的控制程序自动控制启停，同时，自动控制情况下可人工干预操作。地源侧循环泵和用户侧循环泵控制策略相同。用户侧循环泵的通过调节泵变频器的工作频率，满足系统需求。

2.2补水泵

地源侧补水泵和用户侧补水泵控制策略相同。补水泵操作分为就地和远程两种控制模式，在远程状态下，可手动操作启停。远程自动控制时根据系统循环水泵入口总管取压点的压力，当地源侧循环系统压力低于的最小工作压力时补水泵自动启动，向系统补水升压，当压力上升至最高工作压力时，补水泵停止运行。1#、2#补水泵互为主备泵。

2.3“一键启停操作”控制

“一键启停操作”指的是：在装置启动或者停止时，只需要通过操作一个HMI软键按钮，控制系统就会根据装置的要求自动、安全地启动或者停止运行。根据环境温度的变化，设计了冬季或者夏季两种工况运行，根据选定的工况，系统会自动按照工艺要求打开或者关闭对应的阀门。当选定主工作机组时，另一台机组自动为备机状态;如：选定1#热泵机组为主机工作状态时，2#热泵机组自动为备机工作状态，点击“启机”按钮，根据流程工艺要求，程序自动打开地源热泵的入口电动调节阀门VDF1，VDF2，阀门VDF1，VDF2全开后随即启动1#地源侧循环泵，待地源侧的循环系统压力达到工作压力后，用户侧1#循环泵启动;待地源侧和用户侧循环泵工作正常，启动1#地源热泵机组;当1#热泵机组工作负荷比>90%时，负荷比>90%持续t分钟后，确认1#热泵机组运行负荷大，2#备用机组按照工艺要求自动启动运行。当1#热泵机组工作负荷比<40%持续t1分钟后时，确认负荷比正常，2#备用机组自动停止。

3控制回路

3.1用户侧变频循环水泵控制

依据工艺流程要求，无论是冬季工况，还是夏季工况，根据运行经验设置控制处理器的SP值，分水器和集水器的压差测量值作为控制处理器的PV值，控制输出值OP，通过一定的数学处理运算，经AO通道控制输出，改变变频泵的频率设定，以此来保证用户侧的循环工作压力，满足用户的温度调节的需求。

3.2锅炉补热系统VDF5调节阀控制

在冬季工况下，随着环境温度的变化，当出现地源热泵提供的热量无法满足热能需要时，由锅炉补给系统，自动补给一部分热量，用于用户侧采暖。根据工况要求设定一个用户侧循环泵入口总管最低工作水温，作为VDF5调节阀控制器的SP设定值，实际的水温作为控制器的PV测量值，控制输出OP值经过输出处理运算，经卡件输出，控制VDF5调节阀的开度，通过板式换热器，实现采暖补热。当VDF5调节阀打开时，同时开启板式换热器二次侧循环出口阀门，提升用户侧循环泵入口总管的工作水温。

4结语

地源热泵作为一种新能源供暖供冷利用装置，未来将会大范围普及，为了节约运行成本简化

操作，一键启动控制策略必将成为地源热泵装置的标配。当然，目前的控制策略还有待于进一步深入研究，探究系统关键技术，更加符合地源热泵行業规范，相信地源热泵装置一定会有更加广阔的发展前景。

参考文献：

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