負荷側回水溫度控制在地源熱泵供熱中的應用研究

張長興胡松濤宋偉彭冬根

(1山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室 青島 266590；2青島理工大學環境與市政工程學院青島 266033；3哈爾濱工業大學市政環境工程學院 哈爾濱 150001；4南昌大學建筑工程學院 南昌 330031)

負荷側回水溫度控制在地源熱泵供熱中的應用研究

張長興1胡松濤2宋偉3彭冬根4

(1山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室 青島 266590；2青島理工大學環境與市政工程學院青島 266033；3哈爾濱工業大學市政環境工程學院 哈爾濱 150001；4南昌大學建筑工程學院 南昌 330031)

為研究運行控制策略對地源熱泵系統應用節能性的影響，以青島地區某住宅地源熱泵系統為研究對象，將負荷側回水溫度作為熱泵機組群控策略的控制指標，對2008～2009年冬季(142天)運行狀況進行了動態監測，分析了地源側和負荷側在控制策略下的溫度響應，對比了典型工作日熱泵機組運行臺數、系統COP與熱負荷的關系。實測結果表明，熱泵系統能夠根據控制策略的要求，實現熱泵機組的自動啟停，保證了負荷側供水溫度的穩定性，達到了預期的控制目標，系統的群控策略體現了較強的適應性。熱泵系統負荷率在15.6%～32.2%的實際運行工況下，日運行COP值高于2.8，顯示了較好的節能效果，為地源熱泵系統運行控制策略的制定和機組群控的實現提供了重要的參考。

地源熱泵系統；群控策略；熱負荷率；負荷側回水溫度；COP

地源熱泵系統是可再生源利用的重要形式之一，在我國建筑能源和農業領域得到了較為廣泛的應用[1－2]。地源熱泵系統運行節能與否，除了與系統設計[3]和施工質量等因素有關外，還與系統的運行控制策略息息相關[4－5]。對于大型的地源熱泵系統而言，熱泵機組大多數時間處于部分負荷運行且負荷特性復雜[6]，在選用機組設備時，考慮到調節的靈活性和機組的運行效率，設計中多采用小型水—水熱泵機組，這對熱泵機組的群控策略提出了更高的要求[7－8]。同時，由于熱泵系統地埋管換熱器換熱的特殊性[9]，源側的水溫能否對相應的控制策略有良好的響應，對于地源熱泵系統的運行可靠性和節能性具有重要的意義。本文結合住宅地源熱泵系統工程，通過實施以回水溫度為控制指標的熱泵機組群控策略，對系統冬季供熱的運行特性和節能性進行實測分析。

1 地源熱泵系統概況

本工程為住宅用地源熱泵工程，位于青島市郊。熱泵系統為三棟住宅樓提供冷熱源，兩棟為7層，一棟為6層，建筑面積共計10040 m2，設計空調冷負荷663 kW，空調熱負荷402 kW。熱泵機組為水-水機組，負荷側末端采用風機盤管。

1.1 機房設備與地埋管換熱器參數

地源熱泵系統選用VKC080WR7熱泵機組10臺，其單臺制冷量72 kW，制冷功率15.6 kW；制熱量110 kW，制熱功率20.5 kW；負荷側額定流量:12.4 m3/h；源側額定流量:15.1 m3/h。循環水泵為變頻泵、補水泵為定頻泵，具體的參數見表1，各類水泵均為一用一備。

表1 水泵參數Tab.1 Water pump parameters

地埋管換熱器的數量69個，鉆孔深度80 m，直徑0.15 m，孔間距5 m。地埋管換熱器共分為3組，1＃換熱器組鉆孔換熱器數量為23個，2＃換熱器組鉆孔換熱器數量為24個，3＃換熱器組鉆孔換熱器數量為22個。地埋管換熱器采用雙U型PE管并聯的形式，鉆孔內回填材料為含有10%膨潤土、90%SiO2砂子的混合物。

1.2 測控系統

地源熱泵系統的測控系統采用監控組態軟件對現場運行數據進行采集與過程控制，遠程實現室外氣溫、循環水溫度、流量、壓力和熱泵、水泵運行數據的實時監控與儲存，并根據控制策略實施系統的運行控制。地源熱泵系統的日耗電量采用電度表測得。為了詳盡記錄變負荷工況條件下熱泵系統的溫度熱響應，外接數據采集器Aglient 34970A實時記錄水溫的變化，能夠直觀得觀察其實變規律。熱泵系統的測控系統示意圖見圖1。測試系統中相關傳感器、測試儀表的型號參數見表2。

圖1 地源熱泵的測控系統和溫度監測示意圖Fig.1 Schematic of test and control system and temperature acquisition of GSHPs

表2 測試儀和相關傳感器參數Tab.2 Test meter and relative sensor parameters

2 熱泵系統的控制策略

由于住宅樓地處市郊，其空調負荷率平時較低，節假日較高，這就要求熱泵系統可調節的范圍較大，因此，在設計中采用了較多的機組數量，以保證調節的靈活性。由于住宅入住率、業戶人員年齡、生活習慣等因素的差異，使空調負荷呈現較大的隨機性，負荷側水壓的變化隨機性亦較大，這對熱泵系統的運行控制提出了更高的要求[10－12]。積極、合理地控制策略，可以通過機組輪換、故障保護、負荷調節等控制程序，避免系統過冷、過熱現象的發生，確保機組的安全，延長機組的使用壽命。

2.1 熱泵機組的運行控制

熱泵機組的控制策略有很多種[12－13]，在實際工程中也暴露了一定的問題[14]。對于住宅地源熱泵工程，考慮到熱泵機組數量較多，本工程冬季供熱時，采用負荷側回水溫度作為熱泵機組群控策略的控制參數。在系統啟動時，為了避免出現過熱，控制系統采用“軟啟動”的方式，通過限定機組運行數量來減緩機組的啟閉速度；在系統運行中，為了平衡各臺熱泵機組的運行時間，通過比較各熱泵機組累計運行時間，控制系統自動調整熱泵機組的運行序列。采用以上兩種方式，控制系統保障了熱泵機組的使用壽命。

在冬季供熱模式時，若負荷側回水溫度低于設定溫度的波動下限，且正在運行的機組滿負荷運行，控制系統從未運行且無故障的機組中延時加載一臺累計運行時間最短的熱泵機組；如果負荷側回水溫度高于設定溫度的波動上限，控制系統從已運行的主機中選擇一臺累計運行時間最長的機組延時減載。熱泵系統供熱時的機組控制策略實施過程見圖2。

圖2 熱泵系統供熱控制策略實施過程Fig.2 Flow chart of heating control strategy of GCHPs

2.2 循環水泵的控制

循環水泵的控制要與熱泵機組的流量要求相一致，考慮到實際工作中熱泵機組的啟用數量的變化，源側、負荷側循環水泵的流量通過變頻調節實現大范圍的調節，以免造成機組因缺水或流量過大造成壓力開關的保護性停機。負荷側循環水泵的流量變化隨熱泵機組開啟的數量調整，通過PID調節負荷側集、分水器間的壓差控制電動閥適應水泵流量調整引起的揚程變化，保證熱泵負荷側水力工況的穩定。

3 熱泵機組群控策略的應用分析

為了檢驗負荷側回水溫度實施熱泵機組群控策略的實用效果，本文測試了地源熱泵系統的冬季運行特性。住宅工程為新建建筑，入住率約40%左右，住戶以中、老年人為主，考慮到系統的運行節能性，且地源熱泵系統為首次供暖運行，開啟了全部地埋管換熱器群組。冬季供暖時間為2008年11月15日至2009 年4月5日，共計142天。熱泵系統的控制策略設定為:冬季負荷側回水溫度設定參數為40±1℃，數據存儲裝置參數采集時間間隔和Aglient 34970A的溫度采集時間間隔均為15 min。

3.1 日運行工況熱泵機組的臺數控制

在冬季采用風機盤管采暖時，人們往往傾向于設定室內溫度后24 h開啟，這與系統供冷時有較大的差異，因此，冬季的供暖熱負荷與室外氣象參數的動態變化具有較強的一致性，人的行為管理方式對建筑熱負荷影響較小。

為了分析地源熱泵系統控制策略的實施過程，取2009年1月27日的運行數據進行分析，當日為農歷年初二，供暖熱負荷較高，實測供熱負荷為129.4 kW，負荷率為32.2%。最高室外溫度為9.24℃，出現在15:30，最低為5.16℃，出現在凌晨6:00，日溫差為4.08℃。圖3為2009年1月27日實測的負荷側、源側的24 h供、回水溫度變化和對應的熱泵機組運行臺數。由圖中可以看出，通過系統群控策略的實施，熱泵機組的負荷側供水溫度持續保持在45℃左右，回水溫度控制在40℃左右，盡管室外溫度有較大變化，系統的負荷側供水溫度通過熱泵機組的增減能夠保持在穩定的水平。當熱泵機組增減時，源側回水溫度有良好的響應，隨負荷側供水溫度的增加而相應降低，隨負荷側回水溫度的降低而升高；只是由于地埋管換熱器的緩沖作用，波峰波谷均有所減小。隨著氣溫的升高，熱泵機組的增減頻率明顯降低，氣溫越低，機組的增減頻率越高。從0:00至上午13:00，氣溫相對較低，熱負荷相對較高，出現了熱泵機組多次增減的情況。系統最多時啟動3臺機組，同時運行的總時間為1 h；2臺機組同時運行的總時間為5 h；單臺機組運行總時間為7 h，約占總運行時間的54%。當增開或停運一臺機組時，負荷側供水溫度變化的響應時間滯后約15 min左右。在氣溫相對較高的12: 30至16:15，系統保持單臺機組運行狀態，負荷側供、回水溫度持續降低，直至16:00的負荷側回水溫度為38.9℃，系統16:15增加1臺機組。從16:15至24: 00，隨著氣溫的降低，又出現了機組增減的情況，只是相對于0:00至上午13:00時段，增減的頻率明顯降低。晚上18:00以后，機組的臺數開始轉變為2臺增減運行狀態，3臺機組運行時間共計1.25 h，較凌晨時段有所增加。

圖3 機組運行臺數與負荷側、源側供回水溫度的變化Fig.3 Number of operating machines and variation of inlet and outlet water temperatures in evaporator and condenser in typical day

3.2 熱泵機組群控策略的適應性

為了研究不同熱負荷狀況下熱泵機組群控策略的適應性，對系統在2008年11月27日至2009 年3月27日每間隔一個月的日運行特性與2009年1月27日的數據進行對比分析。圖4為5天的熱泵機組日運行時間對比圖。可以看出，建筑的熱負荷直接決定著熱泵機組的開啟臺數與運行時間，2臺以上同時運行的總時間均沒有超過51%；2008 年11月27日最多開啟2臺熱泵機組即可滿足供暖的要求，隨著熱負荷的增加，3臺機組同時運行的時間隨之增加，2009年1月27日以后，隨著天氣轉暖，建筑熱負荷的降低，3臺機組同時運行的時間隨之降低，至3月27日運行1臺熱泵機組即可滿足供暖的要求。

就當天的熱負荷而言，1月27日對應的熱負荷最高，3臺機組同時運行的時間最長。2008年12月27日的熱負荷較1月27日低，3臺機組同時運行的時間減少，但2臺以上運行的總時間較1月27日增加22.5%，這與當日對應的熱負荷強度和持續時間有關。而與2009年2月27日相比較，2臺以上運行的總時間相等，但由于熱負荷高，3臺機組同時運行的時間增加50%。

根據以上分析，地源熱泵系統能夠按照控制策略的要求，以負荷側回水的設定溫度為基準，自動實施熱泵機組的啟停控制，與建筑熱負荷的變化保持一致，滿足了室內溫度的要求，熱泵機組的群控策略在冬季供暖中顯示了較強的適應性。

圖4 熱泵機組日運行時間對比圖Fig.4 Contrast of daily operating time of machine

3.3 地源熱泵系統的節能性

在地源熱泵系統群控策略實施時，需要根據負荷側回水溫度的變化頻繁啟停熱泵機組，客觀上增加了熱泵機組的電耗，因此，研究系統的節能性是十分必要的。圖5為地源熱泵系統COP、機組COP、機組源側的日平均進水溫度與負荷率的關系圖。在熱泵機組負荷側回水溫度相對穩定的情況下，熱泵機組的能耗對源側的進水溫度最敏感，圖5中的熱泵機組COP與源側熱泵機組的日平均進水溫度變化趨勢一致，2008年11月27日的日平均進水溫度最高，其對應的機組COP亦相應較高，隨著供熱的進行，日平均進水溫度逐漸降低，至2009年1月27日達最低值，由于此后建筑熱負荷強度逐漸降低，地溫度處于動態恢復過程，日平均進水溫度逐漸升高，熱泵機組COP亦相應增加。

圖6為地源熱泵系統各分項能耗的逐日變化圖，可以看出，熱泵機組的能耗變化與圖4中熱負荷的逐日變化趨勢相同；就分項能耗而言，熱泵機組的能耗在系統總能耗中所占比例較高，水泵能耗所占比例均低于25%，圖5中2009年3月27日最低負荷率時，其對應的水泵能耗比例最高，系統COP值最低。在2009年1月27日熱負荷率最高時，水泵能耗所占比例最低，即使熱泵機組能耗值最高，系統仍能保持較高的COP值。

圖5 地源熱泵系統COP、機組COP、機組的日平均進水溫度與負荷率的關系Fig.5 Relation between load rate and daily average inlet water temperature of machine condenser，COP of machine，COP of GSHPs

圖6 熱泵機組能耗、水泵能耗與水泵能耗占總能耗比例的逐日變化Fig.6 Daily variation of heat pump energy consumption，circulating water pump energy consumption and its ratio

熱泵系統的COP確定需要計算源側和負荷側的水泵耗電量，因此熱泵系統的COP低于機組的COP值。根據系統群控策略，系統隨熱泵機組的啟停自動調整源側和負荷側的水泵運行狀態，以防止熱泵機組因缺水而造成停機。由于水泵能耗不同(如圖6)，系統COP與機組COP的變化趨勢并不一致，雖然2009 年1月27日對應的機組COP最低，但系統COP最高，此時，熱泵系統的熱負荷率對系統COP起到了主導作用，熱負荷率越高，系統COP就越高。在本例中，地源熱泵系統處于低負荷率運行狀態，最高為32.2%，系統COP為3.3；而2009年3月27日對應的最低負荷率為15.6%，系統COP僅為2.8。可見，由于住宅建筑負荷的特殊性，熱泵系統的負荷率對于系統是否能夠節能運行有重要影響。在這種控制策略的實際應用中，負荷率越高，系統的節能效果越明顯。在本例中，通過設置多臺熱泵機組的設計措施和采取有效的機組群控策略，熱泵系統顯示了較好的節能效果。

4 結論

為了檢驗以負荷側回水溫度為基準實施熱泵機組群控策略的應用效果，本文對某住宅地源熱泵系統的冬季供熱的運行特性進行了實測分析，結果表明，熱泵機組的群控策略顯示了較強的適應性。得到以下結論:

1)建筑熱負荷是隨室外氣象條件而變化的，而熱泵系統的設計及設備選型是按最不利工況進行的，通過實施以負荷側回水溫度為基準實施熱泵機組群控策略，熱泵系統能夠根據熱負荷的實時變化，自動調整熱泵機組的啟停，實現了機組的“分級”運行，保證了系統供熱的穩定性。

2)當實測負荷率在15.6%～32.2%范圍內，熱泵機組群控策略的實施有效確保了系統的日平均COP高于2.8，高點負荷率較低點負荷率對應的系統COP提高了17.9%，在住宅建筑熱負荷率較低的情況下，地源熱泵系統顯示了較好的節能效果。

3)住宅建筑熱負荷率較低時，在供熱季內由于控制措施得當，土壤溫度可部分動態自恢復，這對于提高熱泵機組的COP，降低地源熱泵系統的能耗具有一定的積極作用，該問題的定量研究有待于通過實測土壤溫度的變化進行分析。

本文受江西省科技支撐計劃(20123BBG70195)資助。(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 文獻標識碼:A051.5

A

0253－4339(2014)05－0019－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.019

張長興，男(1977－)，博士，講師，山東科技大學土建學院，(0532)86057593，E-mail:zcx952＠163.com。研究方向:建筑節能及可再生能源利用。現在進行的研究項目有:國家自然科學基金項目——太陽能溶液分級集熱再生與空氣預除濕耦合作用機理等。

國家自然科學基金(51266010)資助項目。(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.