基于系統(tǒng)能效的復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)探討

王立乾,羅蘇瑜

(國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070)

前言

復(fù)合式地源熱泵是一種由地源熱泵、水源熱泵作為冷熱源主體，配合冷卻塔、太陽能等輔助冷熱源來進(jìn)行供冷或供暖的一種空調(diào)系統(tǒng)。由于涉及到多系統(tǒng)、多設(shè)備之間的切換和統(tǒng)一管理，對(duì)智能化控制提出了很高的要求?，F(xiàn)有的常用空調(diào)系統(tǒng)群控方法有溫度控制法、壓差控制法以及熱量控制法[1]等，其缺陷在于，并未從系統(tǒng)的整體能效出發(fā)，進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)以使系統(tǒng)的能效達(dá)到最優(yōu)值。

1 幾種現(xiàn)有空調(diào)群控模式分析

1.1 供水溫度控制模式

控制流程(以制冷工況為例)：根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水供水溫度值大小，控制空調(diào)機(jī)組臺(tái)數(shù)的加減，使機(jī)組的運(yùn)行載荷與末端負(fù)荷相符。

特點(diǎn)分析：

1)無法準(zhǔn)確反映空調(diào)負(fù)荷的變化情況。

2)無法對(duì)空調(diào)運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并作出合理調(diào)控策略，以保證系統(tǒng)始終以較高的能效比運(yùn)行。

3)裝置簡單，價(jià)格便宜。

圖1 供水溫度控制流程

1.2 壓差控制模式

控制流程：在空調(diào)使用側(cè)集水器和分水器之間設(shè)置旁通管路，上面設(shè)有壓差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。如果供回水總管之間壓差增大，說明空調(diào)使用側(cè)的負(fù)荷減小，則需增大壓差旁通閥的開度。如果供回水總管之間壓差減小，說明空調(diào)使用側(cè)的負(fù)荷增大，則需減小壓差旁通閥的開度。

圖2 壓差旁通控制流程圖

特點(diǎn)分析：

1)壓差控制模式響應(yīng)時(shí)滯較小，能快速地對(duì)供回水壓差的變化做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)時(shí)間短。

2)供回水壓差變化并不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)負(fù)荷的變化，無法保證空調(diào)使用側(cè)流量始終與末端負(fù)荷完全相符。

1.3 熱量控制模式

控制流程：首先測(cè)量空調(diào)使用側(cè)供回水溫度和供水流量，然后根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)末端需要的冷量或熱量，再把此冷量或熱量值與當(dāng)前運(yùn)行空調(diào)機(jī)組的最大制冷或制熱能力進(jìn)行比較，進(jìn)行加機(jī)或減機(jī)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)組的臺(tái)數(shù)控制。

特點(diǎn)分析：

1)可以比較準(zhǔn)確地反映末端負(fù)荷的變化，使空調(diào)機(jī)組的制冷或制熱能力與末端負(fù)荷較好地相符。

2)水系統(tǒng)熱量大、惰性大，具有很強(qiáng)的時(shí)滯性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，要一段時(shí)間后才能反映到溫度以及通過溫度計(jì)算的熱量上來。影響了控制系統(tǒng)的及時(shí)性[2]。

圖3 熱量控制流程圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

針對(duì)上述控制方法的局限性，提出了一種基于系統(tǒng)能效的復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)，由中央控制器、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、操作顯示界面、遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦以及傳感器、執(zhí)行器、各設(shè)備控制器組成，控制的主體對(duì)象為地源熱泵與輔助冷熱源組成的中央空調(diào)系統(tǒng)，其中地源熱泵系統(tǒng)可為土壤源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵等形式，輔助冷熱源可為冷卻塔、鍋爐、太陽能等。

群控系統(tǒng)的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、濕度傳感器等，可以監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并反饋到中央控制器，同時(shí)熱泵機(jī)組控制器以及其它設(shè)備控制器將設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)反饋到中央控制器，中央控制器根據(jù)預(yù)先寫入的程序，判斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，提供幾種合理的調(diào)節(jié)策略，利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算每種調(diào)節(jié)策略執(zhí)行后系統(tǒng)運(yùn)行狀況的變化趨勢(shì)和系統(tǒng)的整體能效比，選擇能效比最高的調(diào)節(jié)策略，發(fā)出調(diào)控指令，進(jìn)行設(shè)備的調(diào)節(jié)、啟停以及相關(guān)水路的切換，保證復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以高能效比運(yùn)行。本文以地埋管加冷卻塔形式的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

圖4 復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由三個(gè)部分組成，包括熱泵機(jī)組系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、地埋管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和冷卻塔數(shù)據(jù)庫等。每個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)有三種參數(shù)：直接調(diào)控參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)以及系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)。

“直接調(diào)控參數(shù)”是系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)可以直接定量控制的參數(shù)，“系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)”是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不可直接進(jìn)行調(diào)控的參數(shù)，“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”為“直接調(diào)控參數(shù)”與“系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)”確定后與之對(duì)應(yīng)的某一參數(shù)的值，部分“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”也可以作為“系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)”參與其它“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”的計(jì)算。

“直接調(diào)控參數(shù)”與“系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)”根據(jù)其變化范圍，按照一定間隔取若干數(shù)值，例如機(jī)組載荷率的值可以取30%、35%、40%……95%。“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”可在系統(tǒng)安裝前，通過實(shí)驗(yàn)或者模擬計(jì)算的方法獲取，并且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可通過自學(xué)習(xí)的方式來完善。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置

熱泵機(jī)組系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的直接調(diào)控參數(shù)有：機(jī)組載荷率(單臺(tái))、空調(diào)側(cè)水流量(單臺(tái))、地源側(cè)水流量(單臺(tái))；系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)有：空調(diào)側(cè)進(jìn)水溫度、地源側(cè)進(jìn)水溫度、末端負(fù)荷；系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)有：機(jī)組制冷/制熱量(單臺(tái))、機(jī)組輸入功率(單臺(tái))、空調(diào)側(cè)水泵功率(單臺(tái))、地源側(cè)水泵功率(單臺(tái))、空調(diào)側(cè)出水溫度、地源側(cè)出水溫度。

地埋管系統(tǒng)的直接調(diào)控參數(shù)有：地埋管開啟數(shù)量、地埋管總流量；系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)有：土壤熱物性參數(shù)、地埋管進(jìn)水溫度；系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)有：地埋管出水溫度。

冷卻塔系統(tǒng)的直接調(diào)控參數(shù)有：冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率(單臺(tái))、冷卻塔水泵流量(單臺(tái))；系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)有：室外溫度、室外濕度、冷卻塔進(jìn)水溫度；系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)有：冷卻塔出水溫度、冷卻塔輸入功率(單臺(tái))。

圖5 復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

4 系統(tǒng)控制邏輯

4.1 提出不同調(diào)節(jié)策略

中央控制器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化情況，提供幾種合理的調(diào)節(jié)策略，調(diào)節(jié)策略分為四類：改變機(jī)組制冷(熱)能力；改變空調(diào)使用側(cè)、地下環(huán)路側(cè)和冷卻塔側(cè)循環(huán)水量；改變冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率；改變地下環(huán)路開啟數(shù)量。首先系統(tǒng)檢測(cè)空調(diào)使用側(cè)供水溫度Tg、回水溫度Th以及流量M信號(hào)，根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算空調(diào)使用側(cè)冷熱負(fù)荷.

Q=CM/Tg-Th

(1)

式中：

Q—空調(diào)使用側(cè)冷熱負(fù)荷，W；

C—水的容積比熱容，J/(kg·℃)；

Mk—空調(diào)側(cè)水流量，kg/s；

Tg—空調(diào)側(cè)供水溫度，℃；

Th—空調(diào)側(cè)回水溫度，℃。

然后計(jì)算使用側(cè)冷熱負(fù)荷相對(duì)于上一循環(huán)周期的增加或減小比率

η=︳Q/Q0-1︳

(2)

式中：

η—使用側(cè)冷熱負(fù)荷變化比率；

Q—空調(diào)使用側(cè)冷熱負(fù)荷，W；

Q0—上一周期空調(diào)使用側(cè)冷熱負(fù)荷，W。

系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)使用側(cè)負(fù)荷的變化比率來調(diào)節(jié)四類調(diào)節(jié)策略中的參量，調(diào)節(jié)幅度與負(fù)荷變化比率成正比，在此基礎(chǔ)上±10%，再各取兩個(gè)參數(shù)，即每個(gè)調(diào)節(jié)策略共取3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)。四類調(diào)節(jié)策略可以單獨(dú)執(zhí)行，也可任意組合成新的調(diào)節(jié)策略。

各調(diào)節(jié)策略的具體操作方式為：改變運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)機(jī)組載荷率、改變空調(diào)側(cè)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)空調(diào)側(cè)水泵頻率、改變地埋管運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)地埋管水泵頻率、調(diào)節(jié)地埋管開啟數(shù)量、調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率、改變冷卻塔運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)冷卻塔水泵頻率。

圖6 復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)控制策略

4.2 各調(diào)節(jié)策略能效分析

對(duì)系統(tǒng)提出的幾種調(diào)控策略進(jìn)行設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均能效分析。即對(duì)于每一種調(diào)控策略中發(fā)生變化的參數(shù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫內(nèi)與之對(duì)應(yīng)的“直接調(diào)控參數(shù)”，系統(tǒng)再將當(dāng)前的“運(yùn)行參數(shù)/客觀參數(shù)”反饋到中央控制器，控制器在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)查找與之對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”并進(jìn)行系統(tǒng)整體能效比的計(jì)算。部分“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”又做為“系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)”參與下一次的“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”的計(jì)算，如機(jī)組的地源側(cè)出水溫度作為地埋管進(jìn)水溫度和冷卻塔進(jìn)水溫度，參與地埋管出水溫度、冷卻塔出水溫度和冷卻塔輸入功率的計(jì)算，同時(shí)地埋管出水溫度和冷卻塔出水溫度經(jīng)控制器處理后又作為機(jī)組的地源側(cè)進(jìn)水溫度，參與熱泵機(jī)組系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算。

由于中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)滯性，從系統(tǒng)“直接調(diào)控參數(shù)”變化到“系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)”發(fā)生變化需要一定的時(shí)間，一般情況下以空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)的一個(gè)周期T來計(jì)算。

(1)計(jì)算設(shè)定的時(shí)間Ts內(nèi)，系統(tǒng)整體能效計(jì)算的次數(shù)N：

N=Ts/T

(3)

式中：

N—能效計(jì)算次數(shù)，舍去小數(shù)位取整數(shù)；

Ts—設(shè)定計(jì)算時(shí)間，h；

T—系統(tǒng)循環(huán)周期，h。

(2)計(jì)算設(shè)定時(shí)間內(nèi)每個(gè)循環(huán)周期的系統(tǒng)能效比：

圖7 復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)控制邏輯

εn=∑W1,W1,……Wn/Qn

(4)

式中：

εn—第n個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)整體能效比；

Wn—第n個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)各設(shè)備功耗，kW；

Qn—第n個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)制冷(熱)量，kW。

(3)計(jì)算設(shè)定時(shí)間內(nèi)平均系統(tǒng)整體能效比：

ε=∑ε1,ε2,……εn/N

(5)

式中：

εn—第n個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)整體能效比。

以設(shè)定時(shí)間內(nèi)平均系統(tǒng)整體能效比ε為系統(tǒng)調(diào)控依據(jù)，選擇并執(zhí)行平均能效比最高的調(diào)控策略，保證空調(diào)系統(tǒng)始終以較高的系統(tǒng)整體能效運(yùn)行。

5 結(jié)論

應(yīng)用基于系統(tǒng)能效的復(fù)合式地源熱泵群控系統(tǒng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)合式地源熱泵空調(diào)多系統(tǒng)、多設(shè)備的啟停切換和統(tǒng)一調(diào)節(jié)管理。

該系統(tǒng)能根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，提供幾種合理的調(diào)節(jié)策略，利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算每種調(diào)節(jié)策略執(zhí)行后系統(tǒng)運(yùn)行狀況的變化趨勢(shì)和系統(tǒng)的整體能效比，選擇能效比最高的調(diào)節(jié)策略進(jìn)行調(diào)節(jié)。解決了壓差控制法、溫度控制法、以及熱量控制法等常規(guī)空調(diào)群控方法無法根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)準(zhǔn)確地作出調(diào)整策略的問題。保證了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)始終以較高的系統(tǒng)整體能效比運(yùn)行。

[1]霍小平.中央空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版社,2004

[2] 李玉街,蔡小兵,郭林.中央空調(diào)系統(tǒng)模糊控制節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009