地源熱泵裝置控制方法研究

趙同兵

摘要：地源能在城市和工業廠區供暖供冷領域已經呈現出了蓬勃發展的趨勢。結合在分布式能源系統中地源熱泵裝置的實際應用，來實現工業園區的分布式能源冷熱能的互補。該文主要研究了地源熱泵裝置在工業園區能源系統中，實現“一鍵啟停操作”的自動調節的控制策略，簡化了操作，通過運算調節控制，實現降本增效、節能環保的目的，具有重大的現實意義。

關鍵詞：地源能;地源熱泵;一鍵啟停操作（一鍵操作）

引言

隨著我國經濟的快速發展，傳統能源的需求越來越大，伴隨而來的是更加嚴重的污染問題;目前國家正在大力推動新能源的開發和利用，地源能就是其中之一。地源熱泵目前在城市和廠區供暖供冷領域已經呈現出了蓬勃發展的趨勢。

1地源熱泵裝置

1.1裝置介紹

地源熱泵裝置主要遵循逆卡諾原理，即從外部供給熱泵較小的耗功，同時從低溫環境中吸收大量的低溫熱，熱泵就可以輸出高溫熱能，并送到室溫環境中去，從而將低溫熱間接利用起來。熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱，經過電力做功，輸出可用的高品位熱能的設備，可以把消耗的高品位電能轉換為3倍甚至3倍以上的熱能，是一種高效供能技術。熱泵技術在空調領域的應用可分為空氣源熱泵、水源熱泵以及地源熱泵三類。

由于熱泵是提取自然界中能量，效率高，沒有任何污染物排放，是當今最清潔、經濟的能源利用裝置。冬天熱泵中制冷劑正向流動，壓縮機排出的高溫高壓氣體進入冷凝器向集水器中水放出熱量，相變為高溫高壓的液體，在經熱力膨脹閥節流降為低溫低壓的液體進入蒸發器，從地下循環液中吸取低溫熱后相變為低溫低壓的飽和蒸汽進入壓縮機吸氣端，由壓縮機壓縮排出高溫高壓氣體完成一個循環。如此循環往復將地下低溫熱能“搬運”到集水器，從而不斷的向用戶提供45～50℃的熱水，對用戶房間進行供暖，同時儲存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個很好的免費能量存儲源泉，這樣就實現了能量的季節轉換。

夏季通過機組將房間內的熱量轉移到地下，對房間進行降溫，同時儲存熱量，以備冬用。夏天熱泵中制冷劑逆向流動，與用戶換熱的冷凝器變為蒸發器從集水器的低溫水（7～12℃）提取熱能，與地下循環往復連續地向用戶提供7～12℃的冷水。

1.2優點

1）地源熱泵系統高效節能環保。

夏天制冷，地源熱泵空調比普通中央空調節能30%左右;冬天供暖，地源熱泵比燃氣鍋爐節能40%左右。地源熱泵空調供暖，不需要鍋爐，沒有廢氣、廢渣、廢水排出，有利于環境保護。其供暖時，能量70%以上來自淺層地能，制熱系數高達3.5-4.5，而鍋爐僅為0.7-0.9，可比鍋爐節省70%以上的能源和40%—60%運行費用。

2）地源熱泵系統安全無隱患。

普通氟系統中央空調系統，制冷劑長期緩慢泄漏是難以避免的，影響室內環境，危害家人健康。地源熱泵系統以水為媒介傳遞冷量和熱量，更加安全，無健康隱患。

3）地源熱泵系統可一機多用。

地源熱泵系統可以一機多用，可以滿足制冷、供暖、生活熱水等多方面的需求，減少了多套設備帶來的各種空間、外觀問題。

4）地源熱泵系統壽命更長維護方便。

地源熱泵機組使用壽命長，一般室外地下換熱部分壽命為50年，地上熱泵機組壽命為25年。普通中央空調室外機壽命和燃氣鍋爐使用壽命10年左右，而且氟空調外機與內機一一對應，不能任意更換，維修困難。

5）地源熱泵系統不受極端天氣影響。

地源熱泵系統因為依靠地下土壤換熱，不受環境溫度影響，運行更加穩定，極端天氣時，制冷供熱幾乎無影響，室內照樣舒適宜人。

6）地源熱泵系統無噪音污染。

普通中央空調外機露天安裝，環境噪音大，而地源熱泵主機安裝地下機房里，環境噪音可以忽略。

7）地源熱泵系統綜合性價比高。

通過計算300m2以上別墅地源熱泵系統的安裝費用，略高于普通中央空調，但地源熱泵系統高效節能使用費用較少，高出部分的安裝費用通常2～3年內，即可通過節省電費收回。

1.3缺點

1）地源熱泵系統初期投資大。

2）地源熱泵系統打井需要有足夠的花園空地。

3）地源熱泵系統安裝復雜，對于地源熱泵安裝公司的要求較高。

1.4地源熱泵裝置的控制系統組成

地源熱泵裝置的控制系統主要包括：地源側能源循環系統、地源熱泵主機系統、用戶側末端循環系統（含鍋爐補充系統）。其中，地源側能源循環系統由2臺地源側補水泵、3臺地源側循環泵、2臺地源水集分水器組成;地源熱泵主機系統由冬、夏季工況控制閥門、熱泵機組入口調節閥、熱泵機組組成;用戶側末端循環系統由2臺用戶側補水泵、3臺用戶側循環泵、2臺空調水集分水器、鍋爐熱量補充系統組成。

2邏輯聯鎖控制

2.1循環泵

地源側循環泵由3臺變頻泵組成，其中1#循環泵，2#循環泵分別對應1#，2#熱泵機組，3#循環泵為備用泵。循環泵的操作分為就地和遠程兩種控制模式，在遠程狀態下即可手動操作啟停也可根據“一鍵啟停操作”的控制程序自動控制啟停，同時，自動控制情況下可人工干預操作。地源側循環泵和用戶側循環泵控制策略相同。用戶側循環泵的通過調節泵變頻器的工作頻率，滿足系統需求。

2.2補水泵

地源側補水泵和用戶側補水泵控制策略相同。補水泵操作分為就地和遠程兩種控制模式，在遠程狀態下，可手動操作啟停。遠程自動控制時根據系統循環水泵入口總管取壓點的壓力，當地源側循環系統壓力低于的最小工作壓力時補水泵自動啟動，向系統補水升壓，當壓力上升至最高工作壓力時，補水泵停止運行。1#、2#補水泵互為主備泵。

2.3“一鍵啟停操作”控制

“一鍵啟停操作”指的是：在裝置啟動或者停止時，只需要通過操作一個HMI軟鍵按鈕，控制系統就會根據裝置的要求自動、安全地啟動或者停止運行。根據環境溫度的變化，設計了冬季或者夏季兩種工況運行，根據選定的工況，系統會自動按照工藝要求打開或者關閉對應的閥門。當選定主工作機組時，另一臺機組自動為備機狀態;如：選定1#熱泵機組為主機工作狀態時，2#熱泵機組自動為備機工作狀態，點擊“啟機”按鈕，根據流程工藝要求，程序自動打開地源熱泵的入口電動調節閥門VDF1，VDF2，閥門VDF1，VDF2全開后隨即啟動1#地源側循環泵，待地源側的循環系統壓力達到工作壓力后，用戶側1#循環泵啟動;待地源側和用戶側循環泵工作正常，啟動1#地源熱泵機組;當1#熱泵機組工作負荷比>90%時，負荷比>90%持續t分鐘后，確認1#熱泵機組運行負荷大，2#備用機組按照工藝要求自動啟動運行。當1#熱泵機組工作負荷比<40%持續t1分鐘后時，確認負荷比正常，2#備用機組自動停止。

3控制回路

3.1用戶側變頻循環水泵控制

依據工藝流程要求，無論是冬季工況，還是夏季工況，根據運行經驗設置控制處理器的SP值，分水器和集水器的壓差測量值作為控制處理器的PV值，控制輸出值OP，通過一定的數學處理運算，經AO通道控制輸出，改變變頻泵的頻率設定，以此來保證用戶側的循環工作壓力，滿足用戶的溫度調節的需求。

3.2鍋爐補熱系統VDF5調節閥控制

在冬季工況下，隨著環境溫度的變化，當出現地源熱泵提供的熱量無法滿足熱能需要時，由鍋爐補給系統，自動補給一部分熱量，用于用戶側采暖。根據工況要求設定一個用戶側循環泵入口總管最低工作水溫，作為VDF5調節閥控制器的SP設定值，實際的水溫作為控制器的PV測量值，控制輸出OP值經過輸出處理運算，經卡件輸出，控制VDF5調節閥的開度，通過板式換熱器，實現采暖補熱。當VDF5調節閥打開時，同時開啟板式換熱器二次側循環出口閥門，提升用戶側循環泵入口總管的工作水溫。

4結語

地源熱泵作為一種新能源供暖供冷利用裝置，未來將會大范圍普及，為了節約運行成本簡化

操作，一鍵啟動控制策略必將成為地源熱泵裝置的標配。當然，目前的控制策略還有待于進一步深入研究，探究系統關鍵技術，更加符合地源熱泵行業規范，相信地源熱泵裝置一定會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻：

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