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(yè)廠區(qū)供暖供冷領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢。結(jié)合在分布式能源系統(tǒng)中地源熱泵裝置的實(shí)際應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)的分布式能源冷熱能的互補(bǔ)。該文主要研究了地源熱泵裝置在工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停操作”的自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制策略，簡化了操作，通過運(yùn)算調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)降本增效、節(jié)能環(huán)保的目的，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源的需求越來越大，伴隨而來的是更加嚴(yán)重的污染問題;目前國家正在大力推動(dòng)新能源的開發(fā)和利用，地源能就是其中之一。地源熱泵目前在城市和廠區(qū)供暖供冷領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)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(shí)從低溫環(huán)境中吸收大量的低溫?zé)?，熱泵就可以輸出高溫?zé)崮?，并送到室溫環(huán)境中去，從而將低溫?zé)衢g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(jīng)過電力做功，輸出可用的高品位熱能的設(shè)備，可以把消耗的高品位電能轉(zhuǎn)換為3倍甚至3倍以上的熱能，是一種高效供能技術(shù)。熱泵技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)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(dāng)今最清潔、經(jīng)濟(jì)的能源利用裝置。冬天熱泵中制冷劑正向流動(dòng)，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器向集水器中水放出熱量，相變?yōu)楦邷馗邏旱囊后w，在經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降為低溫低壓的液體進(jìn)入蒸發(fā)器，從地下循環(huán)液中吸取低溫?zé)岷笙嘧優(yōu)榈蜏氐蛪旱娘柡驼羝M(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端，由壓縮機(jī)壓縮排出高溫高壓氣體完成一個(gè)循環(huán)。如此循環(huán)往復(fù)將地下低溫?zé)崮堋鞍徇\(yùn)”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(jìn)行供暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個(gè)很好的免費(fèi)能量存儲(chǔ)源泉，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。

夏季通過機(jī)組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對房間進(jìn)行降溫，同時(shí)儲(chǔ)存熱量，以備冬用。夏天熱泵中制冷劑逆向流動(dòng)，與用戶換熱的冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器從集水器的低溫水（7～12℃）提取熱能，與地下循環(huán)往復(fù)連續(xù)地向用戶提供7～12℃的冷水。

1.2優(yōu)點(diǎn)

1）地源熱泵系統(tǒng)高效節(jié)能環(huán)保。

夏天制冷，地源熱泵空調(diào)比普通中央空調(diào)節(jié)能30%左右;冬天供暖，地源熱泵比燃?xì)忮仩t節(jié)能40%左右。地源熱泵空調(diào)供暖，不需要鍋爐，沒有廢氣、廢渣、廢水排出，有利于環(huán)境保護(hù)。其供暖時(shí)，能量70%以上來自淺層地能，制熱系數(shù)高達(dá)3.5-4.5，而鍋爐僅為0.7-0.9，可比鍋爐節(jié)省70%以上的能源和40%—60%運(yùn)行費(fèi)用。

2）地源熱泵系統(tǒng)安全無隱患。

普通氟系統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，制冷劑長期緩慢泄漏是難以避免的，影響室內(nèi)環(huán)境，危害家人健康。地源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)可一機(jī)多用。

地源熱泵系統(tǒng)可以一機(jī)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(shè)備帶來的各種空間、外觀問題。

4）地源熱泵系統(tǒng)壽命更長維護(hù)方便。

地源熱泵機(jī)組使用壽命長，一般室外地下?lián)Q熱部分壽命為50年，地上熱泵機(jī)組壽命為25年。普通中央空調(diào)室外機(jī)壽命和燃?xì)忮仩t使用壽命10年左右，而且氟空調(diào)外機(jī)與內(nèi)機(jī)一一對應(yīng)，不能任意更換，維修困難。

5）地源熱泵系統(tǒng)不受極端天氣影響。

地源熱泵系統(tǒng)因?yàn)橐揽康叵峦寥罁Q熱，不受環(huán)境溫度影響，運(yùn)行更加穩(wěn)定，極端天氣時(shí)，制冷供熱幾乎無影響，室內(nèi)照樣舒適宜人。

6）地源熱泵系統(tǒng)無噪音污染。

普通中央空調(diào)外機(jī)露天安裝，環(huán)境噪音大，而地源熱泵主機(jī)安裝地下機(jī)房里，環(huán)境噪音可以忽略。

7）地源熱泵系統(tǒng)綜合性價(jià)比高。

通過計(jì)算300m2以上別墅地源熱泵系統(tǒng)的安裝費(fèi)用，略高于普通中央空調(diào)，但地源熱泵系統(tǒng)高效節(jié)能使用費(fèi)用較少，高出部分的安裝費(fèi)用通常2～3年內(nèi)，即可通過節(jié)省電費(fèi)收回。

1.3缺點(diǎn)

1）地源熱泵系統(tǒng)初期投資大。

2）地源熱泵系統(tǒng)打井需要有足夠的花園空地。

3）地源熱泵系統(tǒng)安裝復(fù)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(tǒng)組成

地源熱泵裝置的控制系統(tǒng)主要包括：地源側(cè)能源循環(huán)系統(tǒng)、地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)、用戶側(cè)末端循環(huán)系統(tǒng)（含鍋爐補(bǔ)充系統(tǒng)）。其中，地源側(cè)能源循環(huán)系統(tǒng)由2臺(tái)地源側(cè)補(bǔ)水泵、3臺(tái)地源側(cè)循環(huán)泵、2臺(tái)地源水集分水器組成;地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)由冬、夏季工況控制閥門、熱泵機(jī)組入口調(diào)節(jié)閥、熱泵機(jī)組組成;用戶側(cè)末端循環(huán)系統(tǒng)由2臺(tái)用戶側(cè)補(bǔ)水泵、3臺(tái)用戶側(cè)循環(huán)泵、2臺(tái)空調(diào)水集分水器、鍋爐熱量補(bǔ)充系統(tǒng)組成。

2邏輯聯(lián)鎖控制

2.1循環(huán)泵

地源側(cè)循環(huán)泵由3臺(tái)變頻泵組成，其中1#循環(huán)泵，2#循環(huán)泵分別對應(yīng)1#，2#熱泵機(jī)組，3#循環(huán)泵為備用泵。循環(huán)泵的操作分為就地和遠(yuǎn)程兩種控制模式，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下即可手動(dòng)操作啟停也可根據(jù)“一鍵啟停操作”的控制程序自動(dòng)控制啟停，同時(shí)，自動(dòng)控制情況下可人工干預(yù)操作。地源側(cè)循環(huán)泵和用戶側(cè)循環(huán)泵控制策略相同。用戶側(cè)循環(huán)泵的通過調(diào)節(jié)泵變頻器的工作頻率，滿足系統(tǒng)需求。

2.2補(bǔ)水泵

地源側(cè)補(bǔ)水泵和用戶側(cè)補(bǔ)水泵控制策略相同。補(bǔ)水泵操作分為就地和遠(yuǎn)程兩種控制模式，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下，可手動(dòng)操作啟停。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制時(shí)根據(jù)系統(tǒng)循環(huán)水泵入口總管取壓點(diǎn)的壓力，當(dāng)?shù)卦磦?cè)循環(huán)系統(tǒng)壓力低于的最小工作壓力時(shí)補(bǔ)水泵自動(dòng)啟動(dòng)，向系統(tǒng)補(bǔ)水升壓，當(dāng)壓力上升至最高工作壓力時(shí)，補(bǔ)水泵停止運(yùn)行。1#、2#補(bǔ)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(dòng)或者停止時(shí)，只需要通過操作一個(gè)HMI軟鍵按鈕，控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)裝置的要求自動(dòng)、安全地啟動(dòng)或者停止運(yùn)行。根據(jù)環(huán)境溫度的變化，設(shè)計(jì)了冬季或者夏季兩種工況運(yùn)行，根據(jù)選定的工況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按照工藝要求打開或者關(guān)閉對應(yīng)的閥門。當(dāng)選定主工作機(jī)組時(shí)，另一臺(tái)機(jī)組自動(dòng)為備機(jī)狀態(tài);如：選定1#熱泵機(jī)組為主機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，2#熱泵機(jī)組自動(dòng)為備機(jī)工作狀態(tài)，點(diǎn)擊“啟機(jī)”按鈕，根據(jù)流程工藝要求，程序自動(dòng)打開地源熱泵的入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門VDF1，VDF2，閥門VDF1，VDF2全開后隨即啟動(dòng)1#地源側(cè)循環(huán)泵，待地源側(cè)的循環(huán)系統(tǒng)壓力達(dá)到工作壓力后，用戶側(cè)1#循環(huán)泵啟動(dòng);待地源側(cè)和用戶側(cè)循環(huán)泵工作正常，啟動(dòng)1#地源熱泵機(jī)組;當(dāng)1#熱泵機(jī)組工作負(fù)荷比>90%時(shí)，負(fù)荷比>90%持續(xù)t分鐘后，確認(rèn)1#熱泵機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷大，2#備用機(jī)組按照工藝要求自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)1#熱泵機(jī)組工作負(fù)荷比<40%持續(xù)t1分鐘后時(shí)，確認(rèn)負(fù)荷比正常，2#備用機(jī)組自動(dòng)停止。

3控制回路

3.1用戶側(cè)變頻循環(huán)水泵控制

依據(jù)工藝流程要求，無論是冬季工況，還是夏季工況，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)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(shù)學(xué)處理運(yùn)算，經(jīng)AO通道控制輸出，改變變頻泵的頻率設(shè)定，以此來保證用戶側(cè)的循環(huán)工作壓力，滿足用戶的溫度調(diào)節(jié)的需求。

3.2鍋爐補(bǔ)熱系統(tǒng)VDF5調(diào)節(jié)閥控制

在冬季工況下，隨著環(huán)境溫度的變化，當(dāng)出現(xiàn)地源熱泵提供的熱量無法滿足熱能需要時(shí)，由鍋爐補(bǔ)給系統(tǒng)，自動(dòng)補(bǔ)給一部分熱量，用于用戶側(cè)采暖。根據(jù)工況要求設(shè)定一個(gè)用戶側(cè)循環(huán)泵入口總管最低工作水溫，作為VDF5調(diào)節(jié)閥控制器的SP設(shè)定值，實(shí)際的水溫作為控制器的PV測量值，控制輸出OP值經(jīng)過輸出處理運(yùn)算，經(jīng)卡件輸出，控制VDF5調(diào)節(jié)閥的開度，通過板式換熱器，實(shí)現(xiàn)采暖補(bǔ)熱。當(dāng)VDF5調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，同時(shí)開啟板式換熱器二次側(cè)循環(huán)出口閥門，提升用戶側(cè)循環(huán)泵入口總管的工作水溫。

4結(jié)語

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

操作，一鍵啟動(dòng)控制策略必將成為地源熱泵裝置的標(biāo)配。當(dāng)然，目前的控制策略還有待于進(jìn)一步深入研究，探究系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，更加符合地源熱泵行業(yè)規(guī)范，相信地源熱泵裝置一定會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。

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