地源熱泵+冷水機組輔冷系統運行策略及控制邏輯研究

鮑 超 張志堯 劉啟明 魏俊輝 高 朋

（北京市勘察設計研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

地源熱泵是一種利用可再生能源供暖制冷的節能技術，近年逐步推廣應用。而針對氣候特點或建筑功能要求所導致建筑冷負荷需求遠大于熱負荷需求的情況，單獨采用地源熱泵系統則難以滿足要求。例如，若地源熱泵系統僅考慮承擔全部熱負荷需求，則地埋換熱孔數量及機房設備均不夠承擔全部建筑冷負荷的要求；若地源熱泵系統依據可承擔全部冷負荷的條件進行布置，雖能滿足系統全部供冷供熱需求，但由于一個供冷季加一個供暖季循環的累計冷負荷遠大于累計熱負荷，即地源熱泵系統全年向土壤排熱的總量遠大于向土壤取熱的總量，因此長期運行過程中將出現土壤冷熱失衡問題，產生“熱堆積”現象，導致系統運行效率下降，甚至導致系統癱瘓[1]。因此，對于以上情況建議采用地源熱泵+冷水機組輔冷系統的復合能源耦合形式承擔建筑冷熱負荷需求。

地源熱泵+冷水機組的復合式系統是在地源熱泵系統的基礎上增加輔助冷源冷水機組及配套冷卻塔設備，夏季運行時可通過冷水機組輔助地源熱泵系統聯合運行，冬季運行時則完全由地源熱泵系統承擔全部熱負荷需求，以此方式解決項目冷負荷需求遠大于熱負荷需求的系統要求；此外還可通過對系統的精細化管理控制，統計地源熱泵系統地埋側供回水溫度、流量以及運行時長等相關參數，合理分析供暖季地源熱泵系統的總排熱量，并以此作為依據調整夏季工況系統運行策略，合理分配夏季地源熱泵系統的運行時間及所承擔的冷負荷（例如部分時段優先開啟冷水機組系統，保證地源熱泵系統間歇運行），以此保證地源熱泵系統地埋側夏季排熱量與冬季取熱量滿足平衡要求，有效緩解地源熱泵土壤熱堆積問題。

本文所述復合式冷熱源系統區別于常規僅增加冷卻塔進行輔助散熱的系統方式，分別對源側的機房及配套室外部分（地埋孔和冷卻塔）進行優化，有效解決系統裝機匹配問題。此種方式首先可保證冷水機組及配套冷卻塔系統的標準運行工況（32/37℃），而不是僅用冷卻塔去匹配地源熱泵系統的夏季運行工況（25/30℃），保證系統高效運行，避免選型誤差，降低投資成本（同型號冷水機組價格略低于熱泵機組）；此外此種方式系統劃分更為明確，便于系統運行策略的制定和調整，利于系統運行管理。本文將結合系統運行要求著重對冷水機組輔冷的復合地源熱泵系統運行策略及控制邏輯進行研究。

1 系統原理及運行策略分析

1.1 系統原理說明

基于冷水機組輔冷的復合地源熱泵系統包括地源熱泵子系統和冷水機組子系統，地源熱泵機組采用地埋管換熱器作為冷熱源，冷水機組采用冷卻塔作為冷卻源，兩子系統并聯，可獨立運行，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System diagram

本文地源熱泵機組和冷水機組均分別以兩臺機組并聯的形式為例，闡述多臺機組并聯運行時的控制要求。地源熱泵機組與空調側循環水泵和地源側循環水泵要求一一對應并采取聯動運行方式控制，冷水機組與冷卻塔、空調側循環水泵和冷卻塔側循環水泵要求一一對應并采取聯動運行方式控制。系統中的循環水泵均考慮設置一臺備用泵以備檢修使用。本系統主要設備參見表1，各設備均依據系統運行原理及功能要求對主要設備進行監控。

表1 主要設備表Table 1 Main equipment list

1.2 系統特性分析

地源熱泵子系統運行能效主要受地埋管換熱區域土壤溫度影響，在夏季供冷時，系統對土壤不斷進行排熱，地埋管換熱器的土壤溫度逐漸升高，造成進入熱泵機組冷凝器器的流體溫度較高，使得熱泵機組制熱能效相對下降。冷水機組子系統運行能效主要受室外溫度影響，隨著室外溫度升高（降低），冷水機組系統運行的制冷量和運行能效隨之降低（升高）。

冷水機組輔冷的復合地源熱泵系統運行控制應綜合考慮地源熱泵和冷水機組兩子系統運行特性，從而優化系統運行方式，提高系統能效。

1.3 運行策略研究

通常情況下，夏季供冷時，以地源熱泵作為基載系統優先運行，承擔建筑物的冷負荷需求；運行過程中隨著系統冷負荷需求的增加，當地源熱泵系統單獨運行不能滿足全部冷負荷需求時，開啟冷水機組及其配套設備進行冷負荷調峰，聯合地源熱泵系統同時運行，共同承擔建筑全部的冷負荷需求。冬季供暖工況運行時，僅采用地源熱泵系統承擔全部建筑熱負荷需求，運行原理與單一地源熱泵系統相同[3]。

但綜合考慮供冷季室外溫度、建筑冷負荷的變化趨勢，以及地源熱泵子系統和水冷機組子系統的運行特性，供冷初期和末期，室外溫度相對偏低，建筑冷負荷相對較小，水冷機組子系統運行能效相對較高，而供冷季中期，室外溫度相對偏高，建筑冷負荷相對較大，水冷機組子系統運行能效相對較低。而地源熱泵子系統運行過程中不斷對土壤排熱，使得地源熱泵子系統能效逐漸降低。

因此，夏季供冷工況運行策略調整為在供冷季初期和末期，優先運行水冷機組，水冷機組滿負荷運行后，地源熱泵機組作為調峰冷源使用；在供冷季中期（如7、8月份），優先運行地源熱泵機組，地源熱泵機組滿負荷運行后，冷水機組作為調峰冷源使用。

2 控制點設定

本系統為地源熱泵+冷水機組輔冷系統，地源熱泵系統承擔部分冷負荷和全部熱負荷，冷水機組輔冷系統進行冷負荷調峰。地源熱泵系統依據系統需求可分為冬夏兩種運行工況，工況模式切換可通過三種方式實現，第一種是根據室外氣象參數參考預先設定值進行自動切換；第二種是根據系統寫入的固定時間表按照時間維度進行切換；第三種是根據實際情況人為切換[2]。本文考慮人工切換方式雖需配置專業人員進行操作，但操作簡單，每年僅需根據實際使用需求于供冷季或供暖季初期調整一次，因此建議采用第三種人工切換方式。閥門及傳感器裝設位置及作用如表2所示。

表2 閥門及傳感器裝設位置及作用Table 2 Installation position and function of valve and sensor

3 控制邏輯研究

3.1 夏季供冷工況邏輯分析

3.1.1 供冷季中期控制邏輯

在供冷季中期優先運行地源熱泵機組，根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最短的機組，確定選擇啟動機組以及對應的閥門。通過監測空調回水溫度，分別進行機組的加載和減載，其中機組、循環水泵、冷卻塔、電動閥的控制邏輯如圖2所示。

圖2 供冷季中期復合系統控制邏輯圖Fig.2 Control logic diagram of composite system in the middle of cooling season

3.1.2 供冷季初期和末期控制邏輯

在供冷季初期和末期，優先運行冷水機組。復合系統控制邏輯如圖3所示。

圖3 供冷季初期和末期復合系統控制邏輯圖Fig.3 Control logic diagram of composite system at the beginning and end of cooling season

3.1.3 供冷工況系統啟動

根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最短的機組，確定選擇啟動1#或2#地源熱泵機組以及對應的閥門[4,5]。

開啟順序為先通過1#（或2#）地源熱泵機組控制器發出啟動信號，打開地源側電動閥V1、V5、V9（或V11），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組對應的地源側循環水泵。水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，地源側循環系統可視為正常運行。

然后發出控制命令打開空調側電動閥V3、V7、V10（或V12），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組對應的空調側循環水泵。水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，空調側循環系統可視為正常運行。

此時地源側和空調側的管路及流動均為正常狀態，延遲一段時間之后（可自行設定）且系統返回均顯示正常后，最后發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組，應注意發出命令開啟的地源熱泵機組、水泵和閥門應相互對應。

3.1.4 供冷工況機組加載

當僅一臺地源熱泵機組單獨運行時，空調側回水溫度（T0）大于設定溫度（T1，此溫度可自行設定）且此時監測運行機組的電流負載率為95%以上時，該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則開啟2#（或1#）地源熱泵機組及其配套設備和閥門。

開啟順序為先開啟2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側循環水泵，當水泵運行狀態顯示為“開”時，打開與2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側電動閥V11（或V9），閥門開關狀態反饋為“開”且水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，地源側循環系統可視為正常運行。

然后開啟2#（或1#）地源熱泵機組對應的空調側循環水泵，當水泵運行狀態顯示為“開”時，打開與2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側電動閥V12（或V10），閥門開關狀態反饋為“開”，且水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，空調側循環系統可視為正常運行。

此時地源側和空調側的管路及流動均為正常狀態，最后可發出2#（或1#）地源熱泵開機命令，使機組啟動。

當兩臺地源熱泵機組聯合運行時，空調側回水溫度（T0）大于設定溫度（T1，此溫度可自行設定）且此時監測所有運行機組的平均電流負載率為95%以上時，該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則開啟1#（或2#）冷水機組及其配套設備和閥門。

當系統負荷需求繼續增大時，可根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最短的機組，確定選擇啟動1#或2#冷水機組以及對應的閥門。冷水機組子系統的加載控制要求可參考上述地源熱泵子系統加載控制要求（可將冷卻側視為地埋側）。

3.1.5 供冷工況機組減載

當兩臺地源熱泵機組和兩臺冷水機組聯合運行時，空調側回水溫度（T0）小于設定溫度（T2，此溫度可自行設定）且此時監測所有運行機組的平均電流負載率（或壓縮機負載狀態）在75%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止1#（或2#）冷水機組及其配套設備和閥門。

根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最長的機組，確定選擇關閉1#或2#冷水機組以及對應的閥門。

關閉順序為先停止1#（或2#）冷水機組，待系統收到冷水機組停止的反饋命令后，再停止1#（或2#）冷卻塔設備，并在延時一段時間（可自行設定設）后，關閉1#（或2#）冷水機組對應的空調側電動閥V16（或V18）。當閥門顯示關閉狀態后，再關閉1#（或2#）冷水機組對應的空調側循環水泵，當水泵運行狀態反饋為“關”且水流開關狀態反饋為“關”時，可視為冷水機組空調側循環系統完全關閉。

然后關閉1#（或2#）冷水機組對應的冷卻塔側循環水泵，當水泵運行狀態反饋為“關”且水流開關狀態反饋為“關”后，關閉電動閥V13（或V14）、V15（或V17）。可視為冷水機組冷卻塔側循環系統完全關閉。

當兩臺地源熱泵機組和一臺冷水機組聯合運行時，空調側回水溫度（T0）小于設定溫度（T2，此溫度可自行設定）且此時監測所有運行機組的平均電流負載率（或壓縮機負載狀態）在66%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止正在運行的2#（或1#）冷水機組及其配套設備和閥門；同理，當僅有兩臺地源熱泵機組聯合運行時，空調側回水溫度（T0）小于設定溫度（T2，此溫度可自行設定）且此時監測所有運行機組的平均電流負載率（或壓縮機負載狀態）在50%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止正在運行的1#（或2#）地源熱泵機組及其配套設備和閥門；當僅有一臺地源熱泵機組單獨運行時，空調側回水溫度（T0）仍小于設定溫度（T2，此溫度可自行設定）且此時監測運行機組的電流負載率（或壓縮機負載狀態）在25%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止正在運行的2#（或1#）地源熱泵機組及其地源側配套設備和閥門。各子系統的減載控制要求可參考上述冷水機組子系統減載控制要求（可將地埋側視為冷卻側）。

3.1.6 供冷工況系統關閉

根據系統運行要求關閉整個系統時，關閉順序為先停止地源熱泵機組和冷水機組，待系統收到所有機組停止的反饋命令并延時一段時間（可自行設定）后，關閉所有循環水泵，并延時一段時間（可自行設定）后，最后關閉已開啟的電動閥門，待機組、水泵以及閥門反饋顯示關閉后，系統視為正常關閉。

3.2 冬季供熱工況邏輯分析

3.2.1 供暖季控制邏輯

冬季整個系統運行以供熱為目的，此時地埋管側為蒸發側從土壤吸熱。在冬季供熱模式下，整個系統的運行模式與夏季模式有所不同。冬季供熱模式下，僅采用地源熱泵機組處于運行狀態，承擔建筑的全部熱負荷需求，其復合系統控制邏輯如圖4所示。

圖4 供暖工況復合系統控制邏輯圖Fig.4 Control logic diagram of composite heating system

3.2.2 供熱工況系統啟動

根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最短的機組，確定選擇啟動1#或2#地源熱泵機組以及對應的閥門。

開啟順序為先通過1#（或2#）地源熱泵機組控制器發出啟動信號，打開地源側電動閥V2、V6、V9（或V11），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組對應的地源側循環水泵。水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，地源側循環系統可視為正常運行。

然后發出控制命令打開空調側電動閥V4、V8、V10（或V12），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組對應的空調側循環水泵。水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，空調側循環系統可視為正常運行。

此時地源側和空調側的管路及流動均為正常狀態，延遲一段時間之后（可自行設定）且系統返回均顯示正常后，最后發出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機組，應注意發出命令開啟的地源熱泵機組、水泵和閥門應相互對應。

3.2.3 供熱工況機組加載

當僅一臺地源熱泵機組單獨運行時，空調側回水溫度（T0）小于設定溫度（T3，此溫度可自行設定）且此時監測運行機組的電流負載率為95%以上時，該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則開啟2#（或1#）地源熱泵機組及其配套設備和閥門。

開啟順序為先開啟2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側循環水泵，當水泵運行狀態顯示為“開”時，打開與2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側電動閥V11（或V9），閥門開關狀態反饋為“開”且水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，地源側循環系統可視為正常運行。

然后開啟2#（或1#）地源熱泵機組對應的空調側循環水泵，當水泵運行狀態顯示為“開”時，打開與2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側電動閥V12（或V10），閥門開關狀態反饋為“開”，且水泵開啟反饋和水流開關反饋顯示正常后，空調側循環系統可視為正常運行。

此時地源側和空調側的管路及流動均為正常狀態，最后可發出2#（或1#）地源熱泵開機命令，使機組啟動。

3.2.4 供熱工況機組減載

當有兩臺地源熱泵機組聯合運行時，空調側回水溫度（T0）大于設定溫度（T4，此溫度可自行設定）且此時監測所有運行機組的電流負載率（或壓縮機負載狀態）在50%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止正在運行的1#（或2#）地源熱泵機組及其配套設備和閥門。

根據系統啟動要求，首先應通過設備自動輪換功能，根據系統統計的機組累計運行時間，自動選擇累計運行時間最長的機組，確定選擇關閉1#或2#地源熱泵機組以及對應的閥門。

關閉順序為先停止1#（或2#）地源熱泵機組，待系統收到地源熱泵機組停止的反饋命令并延時一段時間（可自行設定）后，關閉1#（或2#）地源熱泵機組對應的空調側電動閥V10（或V12）和地源側電動閥V9（或V11）。當閥門顯示關閉狀態后，再關閉1#（或2#）地源熱泵機組對應的空調側循環水泵和地源側循環水泵，當水泵運行狀態反饋為“關”且水流開關狀態反饋為“關”時，可視為地源熱泵機組空調側和地源側循環系統完全關閉。

當僅有一臺地源熱泵機組單獨運行時，空調側回水溫度（T0）仍大于設定溫度（T2，此溫度可自行設定）且此時監測運行機組的電流負載率（或壓縮機負載狀態）在25%以下（此值可根據機組的IPLV 值進行調整），該狀態運行時間持續一段時間（可自行設定），則停止正在運行的2#（或1#）地源熱泵機組及其地源側配套設備和閥門。

關閉順序為先停止2#（或1#）地源熱泵機組，待系統收到地源熱泵機組停止的反饋命令并延時一段時間（可自行設定）后，關閉1#（或2#）地源熱泵機組對應的地源側循環水泵，并延時一段時間（可自行設定）后，最后關閉2#（或1#）地源熱泵機組對應的地源側電動閥V11（或V9）。

3.2.5 供熱工況系統關閉

根據系統運行要求關閉整個系統時，關閉順序為先停止地源熱泵機組和冷水機組，待系統收到所有機組停止的反饋命令并延時一段時間（可自行設定）后，關閉所有循環水泵，并延時一段時間（可自行設定）后，最后關閉已開啟的電動閥門，待機組、水泵以及閥門反饋顯示關閉后，系統視為正常關閉。

4 關鍵技術研究

4.1 輔助冷源調峰技術

地源熱泵+冷水機組輔冷系統能源耦合形式，應用時應充分考慮建筑功能使用需求，建議采用專業軟件對建筑全年逐時負荷進行模擬，并根據模擬結果優化系統使用要求及能源結構形式。

在制定系統結構與運行策略初步方案時，可根據上述模擬結果進行分析，如在供冷季中期優先開啟地源熱泵機組滿足建筑冷負荷，當建筑冷負荷需求增大時也優先加載地源熱泵機組。所有地源熱泵機組全部開啟且都滿負荷運行，但仍不能滿足建筑冷負荷需求時，開啟冷水機組調峰，如圖5所示。

圖5 冷水機組調峰作用示意圖Fig.5 Schematic diagram of peak regulation function of water chiller

如圖6所示，當地源熱泵系統累計釋熱量Q釋熱遠大于累計取熱量Q取熱時，需通過控制冷水機組滿負荷運行時間τ使冷水機組承擔超出的累計釋熱量，保證地下巖土體冷熱平衡。

圖6 冷水機組調平衡作用示意圖Fig.6 Schematic diagram of water chiller balancing function

式中：τ為冷水機組滿負荷運行小時數，h；Q釋熱為累計釋熱量，kWh；Q取熱為累計取熱量，kWh；EER為冷水機組制冷性能系數；Q制冷為冷水機組總制冷量，kW。

當采用地源熱泵系統作為基載系統時，應結合地埋管換熱能力要求，根據地層溫度和土壤換熱能力等淺層地熱地質條件綜合考慮地埋換熱孔的布置要求，結合建筑全年逐時負荷模擬結果充分考慮運行過程中土壤冷熱平衡問題，避免在長期運行時出現土壤冷熱堆積現象，影響系統運行效率。

當采用冷水機組輔冷系統作為輔助能源形式進行冷負荷調峰使用時，應結合地源熱泵系統設備參數要求，盡量保證冷水機組的冷凍側水流量與地源熱泵機組空調側水流量相近，保證多臺泵并聯運行時流量衰減影響最小。當冷水機組選型不能滿足要求時，可適當調整地源熱泵機組的設備組合形式。

4.2 泵組優選組合控制

由于系統設計過程中水泵常有備用考慮，為保證水泵運行節能性及經濟性最大化，延長設備使用壽命，當系統命令水泵開啟前，運行基于累計時間的泵組優選組合控制，即采集和統計所有水泵的累計運行時間，命令發出時優先啟用累計運行時間較短的水泵設備。

4.3 機組雙重條件控制

除常用的溫差/溫度控制法判定機組加減載標志外，增加機組電流百分比控制法，避免回水溫度達到加載（減載）的要求，但機組并未完全出力（完全卸載）的情況。即：當系統監測到地源熱泵回水溫度達到加載設定值要求且監測到機組電流百分比大于95%并維持一定時間后，系統進入加機狀態；當系統監測到地源熱泵回水溫度達到減載設定值要求且監測到運行機組的平均電流百分比小于50%并維持一段時間后，系統進入減機狀態。

5 結論

本文結合地源熱泵+冷水機組輔冷系統的工作原理，針對其不同工況的運行特點進行控制需求的深度剖析，提出系統控制點設定要求進而研探出更優化、更節能、更高效的復合能源系統控制策略；此外，還對系統運行控制所涉及的關鍵技術進行了詳細梳理，以期為實現多能耦合系統的智能控制提供詳實的技術支撐。