地?zé)帷獰岜霉┡钥叵到y(tǒng)分析

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　1.引言

　　進(jìn)入21世紀(jì)，能源與環(huán)境問題成為人類迫切需要解決的大問題，它直接影響到全球生態(tài)平衡和人類的可持續(xù)發(fā)展。由于能源短缺以及傳統(tǒng)不可再生燃料使用所產(chǎn)生的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，使人們探索諸如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、氫能、核能等新能源的熱情不斷增加，地?zé)崮茏鳛橐环N具有廣闊開發(fā)前景的新能源也日益受到關(guān)注。我國是一個(gè)人口眾多、資源相對貧瘠的大國，地?zé)豳Y源是可再生利用的清潔能源，既節(jié)約了寶貴的不可再生能源，又可改善環(huán)境取得生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

　　北京的地?zé)崽飳儆诘蜏責(zé)醿?chǔ)，地?zé)崴臏囟仍?5～90℃之間，地?zé)崴泻写罅康臒崮?，通過地?zé)?mdash;熱泵系統(tǒng)將地?zé)嵊糜诠┡哂羞\(yùn)行成本低、無污染的優(yōu)勢，并且符合“綠色奧運(yùn)”的理念。目前北京市政府已把推廣地?zé)岵膳袨橹卫硎锥汲鞘形廴镜拇胧┲弧?/p>

　　地?zé)豳Y源要科學(xué)合理的使用才能保證資源的充分利用和其可再生性，本文主要針對北京某小區(qū)地?zé)幔瓱岜霉┡钥叵到y(tǒng)進(jìn)行分析，提出波動(dòng)調(diào)節(jié)及預(yù)估控制，最大限度充分梯級利用地?zé)豳Y源并保證尾水合理使用及回灌。

　　2.工程概述

　　該小區(qū)位于北京北部，建筑面積40萬平米，其中住宅34.6萬平米，配套用房5.5萬平米，是綠色奧運(yùn)試點(diǎn)工程。小區(qū)共有五口1000米深地?zé)峋?，其中兩口抽水井，兩口回灌井以及一口備用井。出水溫?8℃，供水量為150噸/小時(shí)。總供熱量為25000KW，其中地?zé)峁崮芰?012KW，地?zé)幔瓱岜霉崮芰?988KW，其余由小區(qū)輔助熱源燃?xì)忮仩t提供。采用熱泵技術(shù)將地?zé)崴菁壚玫?8℃，提供小區(qū)供暖，尾水部分提供生活用水，部分排放到回灌井，最大限度的利用和保護(hù)地?zé)豳Y源。

　　小區(qū)的供暖梯級利用分為三部分，分別為低區(qū)散熱器供暖、高區(qū)地板輻射供暖、低區(qū)地板輻射供暖。其中低區(qū)散熱器供暖來自于一級地?zé)嵋约拜o助熱源，高區(qū)地板輻射供暖來自于二級地?zé)嵋约拜o助熱源，低區(qū)地板輻射供暖來自于一級二級地?zé)嵛菜?、熱泵提升以及輔助熱源。

　　3.地?zé)?mdash;熱泵供熱系統(tǒng)的控制方案

　　3.1控制的基本原則

　　由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、合理、節(jié)能的運(yùn)行，控制方案必須遵循如下原則：

　　3.1.1最大限度的利用地?zé)豳Y源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。

　　在最大負(fù)荷變小時(shí)，優(yōu)先減少輔助加熱量。

　　在負(fù)荷有很大減少后，逐級關(guān)停熱泵機(jī)組和地?zé)峋?/p>

　　在負(fù)荷較小時(shí)，關(guān)停了熱泵機(jī)組后，地?zé)峋荒軡M足供熱負(fù)荷需求時(shí)，再開啟輔助加熱系統(tǒng)。

　　3.1.2采用質(zhì)和量并調(diào)的調(diào)節(jié)方式。

　　3.1.3 多參數(shù)、多工況判斷切換不同的供暖工況。

　　3.1.4采用室外溫度補(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)，供暖溫度再設(shè)定，既可保證住戶室溫的舒適性又可節(jié)省能源。

　　3.1.5采用模型預(yù)測控制及最小二乘優(yōu)化算法，考慮氣象預(yù)報(bào)、電價(jià)計(jì)費(fèi)等因素，使得舒適度、運(yùn)行成本兩方面都達(dá)到最優(yōu)化。

　　3.1.6供回水泵、井泵變頻控制，根據(jù)負(fù)荷及尾水排放條件對水泵進(jìn)行變頻控制。

　　3.1.7分季節(jié)、分時(shí)間控制生活熱水系統(tǒng)，在保證不同負(fù)荷的用水量下，最大限度降低運(yùn)行能耗。

　　3.1.8地?zé)峋偷乜刂疲O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。

　　3.2供熱負(fù)荷調(diào)節(jié)與控制

　　根據(jù)各供暖區(qū)不同時(shí)間的熱負(fù)荷，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際的供暖量，與設(shè)定值進(jìn)行比較，確定不同的調(diào)節(jié)方案。

　　負(fù)荷計(jì)算公式：

　　式中： Q——熱負(fù)荷；F——流量；tg——供水溫度；th——回水溫度

　　3.2.1低區(qū)散熱器系統(tǒng)負(fù)荷控制

　　圖3.2.1 低區(qū)散熱器采暖系統(tǒng)控制原理圖

　　低區(qū)散熱器系統(tǒng)由地?zé)峋鍝QB11和輔助加熱板換Bh2直接負(fù)責(zé)供暖調(diào)節(jié)。通過測量低區(qū)散熱器供水溫度T11、回水溫度T12以及流量值FR2計(jì)算出實(shí)際的熱負(fù)荷。當(dāng)?shù)蛥^(qū)散熱器采暖熱負(fù)荷百分比在100～35%范圍內(nèi)變化時(shí)，優(yōu)先減小輔助加熱量。當(dāng)負(fù)荷百分比在35%～0%范圍內(nèi)變化時(shí)，關(guān)閉輔助加熱板換Bh2，由地?zé)峋鍝QB11負(fù)責(zé)供暖調(diào)節(jié)。低區(qū)散熱器采暖系統(tǒng)控制原理圖見圖3.2.1.高區(qū)地板采暖系統(tǒng)控制原則與低區(qū)散熱器采暖控制原則基本相同。

　　3.2.2低區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)

　　圖3.2.2 低區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)控制原理圖

　　低區(qū)地板輻射采暖利用三臺(tái)熱泵機(jī)組提升低區(qū)散熱器和高區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)的地?zé)嵛菜M(jìn)行供熱，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源梯級利用。負(fù)荷百分比在不同的階段分別投入不同的機(jī)組和熱交換組合。當(dāng)負(fù)荷百分比在100%～42.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺(tái)熱泵HP滿負(fù)荷運(yùn)行，地?zé)岚鍝QB2、B3、B4與高溫輔助熱源板換Bh3一起負(fù)責(zé)供暖調(diào)節(jié)，在此范圍內(nèi)負(fù)荷減少優(yōu)先減小Bh3.當(dāng)負(fù)荷百分比在43%～30%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺(tái)熱泵根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，關(guān)閉輔助加熱量Bh3.當(dāng)負(fù)荷百分比在30%～15%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺(tái)熱泵全停，由地?zé)岚鍝QB2、B3、B4自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。當(dāng)負(fù)荷百分比在15%～0%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟1口地?zé)峋?臺(tái)熱泵全停，由地?zé)岚鍝QB2、B3、B4自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。

　　在負(fù)荷變化百分比的4個(gè)不同區(qū)域內(nèi)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)方式為：當(dāng)負(fù)荷需求為最大時(shí)，熱泵機(jī)組、地?zé)峋c輔助加熱一起負(fù)責(zé)供熱，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)優(yōu)先調(diào)節(jié)輔助加熱，輔助加熱調(diào)至全關(guān)后，負(fù)荷再變化依靠由熱泵機(jī)組自身的調(diào)節(jié)功能（增減機(jī)頭）來實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)負(fù)荷減少量大到需要停止1套熱泵機(jī)組時(shí)，關(guān)閉1熱泵機(jī)組及附泵，并適當(dāng)調(diào)小地?zé)峋疂撍米冾l器值，以保證地?zé)崴┧繚M足要求。

　　當(dāng)室外溫度較高，或者其他系統(tǒng)負(fù)荷降低，經(jīng)過一級二級換熱后的地?zé)崴疁囟容^高，不需要熱泵進(jìn)行提升就能滿足低區(qū)地板采暖的要求，這時(shí)應(yīng)關(guān)閉熱泵兩側(cè)閥門，打開旁通閥直接進(jìn)行熱交換。如圖3.2.2所示，關(guān)閉HP2V3、HP2V4閥及熱泵一次側(cè)循環(huán)泵，打開HP2V1、HP2V2閥，達(dá)到節(jié)能目的。

　　3.3質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)

　　在供暖系統(tǒng)二次側(cè)環(huán)路，采用分階段變流量的量調(diào)節(jié)方式，在不同的供暖負(fù)荷需求期，改變供熱循環(huán)水量以適應(yīng)負(fù)荷的變化，同時(shí)輔以變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，對于室外溫度高于某一值，熱負(fù)荷需求較小的供暖時(shí)期，不采用變流量的量調(diào)節(jié)方式，而采用變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，供暖流量設(shè)定為保證供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的流量值，這樣可以保證在整個(gè)供暖周期內(nèi)系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)行。

　　在地板輻射采暖系統(tǒng)中，末端都預(yù)留了溫控閥，當(dāng)溫控閥安裝上后，可以根據(jù)最不利末端的供回水壓差與設(shè)定值的差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)變頻器的值，在保證每一個(gè)供暖末端用戶都能自己控制室溫的條件下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3.4多參數(shù)、多工況判斷切換不同的供暖工況

　　綜合溫度、時(shí)間、負(fù)荷參數(shù)的變化，進(jìn)行不同供暖工況的切換，避免因單一參數(shù)的不穩(wěn)定性，造成頻繁的工況切換而使系統(tǒng)振蕩。

　　3.5一次側(cè)電動(dòng)蝶閥的控制

　　為了在負(fù)荷降低時(shí)讓上一級多余的地?zé)崴苯恿魅胂乱患?，在地?zé)岚鍝Q的一次側(cè)都設(shè)有旁通閥，見圖3.2.1.在設(shè)計(jì)的初衷由三通閥來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，但由于一次側(cè)管徑都為DN100到DN200的大管徑，并考慮到工作壓力、溫度介質(zhì)以及系統(tǒng)阻力平衡后，由兩個(gè)兩通的蝶閥配合使用來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。因此為保證二次側(cè)供水溫度的穩(wěn)定，需要根據(jù)供水溫度與設(shè)定溫度的偏差PID調(diào)節(jié)一次側(cè)水閥B11V1的開度，同時(shí)應(yīng)同步反方向調(diào)節(jié)B11V2的開度，以保證地?zé)崴偭髁康姆€(wěn)定。但由于蝶閥的特性曲線并不是線性的，各廠家制造的蝶閥特性曲線也有較大的區(qū)別。通常來說閥板較薄的接近于百分比特性，閥板較厚的則接近直線特性。閥的開度L<60%的范圍內(nèi)接近等百分比特性，在L>60％的范圍內(nèi)，多表現(xiàn)為直線特性，甚至表現(xiàn)為快開特性。在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)根據(jù)B11V1的開度推算進(jìn)入板換的流量，再計(jì)算出旁通B11V2應(yīng)通過的流量，反推算出B11V2的閥門開度，從而保證總的流量的穩(wěn)定。

　　3.6預(yù)測控制

　　圖3.6 北京某小區(qū)日平均熱負(fù)荷與室外日平均溫度曲線

　　傳統(tǒng)的控制思路以室外溫度為函數(shù)的供水溫度控制。供熱系統(tǒng)日平均熱負(fù)荷與室外日平均溫度對應(yīng)關(guān)系如圖3.6所示。計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測室外溫度后，疊加進(jìn)相應(yīng)的供熱調(diào)節(jié)回路中，根據(jù)室外溫度變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷。

　　為了進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，可以引入預(yù)測機(jī)制。首先根據(jù)天氣預(yù)報(bào)資料預(yù)測未來24小時(shí)系統(tǒng)所需熱負(fù)荷，利用該數(shù)值對系統(tǒng)未來24小時(shí)的運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)估，在保證滿足供熱需求和室內(nèi)舒適度的前提下，綜合考慮低谷電價(jià)時(shí)段、停電時(shí)段、設(shè)備運(yùn)行效率等因素，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，調(diào)整溫度設(shè)定值，盡量在低谷電價(jià)時(shí)段輸出熱量。優(yōu)化計(jì)算時(shí)，有兩種方案，一種只考慮系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和室外平均溫度預(yù)測值；另一種是在設(shè)備高效運(yùn)行前提下，利用預(yù)測的室外溫度瞬態(tài)值和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)熱特性數(shù)學(xué)模型采用最小二乘法尋優(yōu)使所需熱量得到最優(yōu)化分配。

　　3.7分季節(jié)控制生活熱水系統(tǒng)

　　夏季，由于沒有供熱，地?zé)崴畠H用于生活洗浴，打開相應(yīng)閥門，地?zé)嵩芍苯油ㄟ^增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)備，然后進(jìn)入生活熱水箱。若水箱出水溫偏高，則加入自來水，使生活用水溫度保持在65℃左右。根據(jù)供水溫度與設(shè)定值的差，開閉自來水電磁閥，控制水箱溫度。

　　冬季，由于供熱負(fù)荷的需求分階段不同，因此生活用水可以實(shí)施不同的方案。嚴(yán)寒階段供熱需求大，為盡可能滿足供暖的需求，此時(shí)地?zé)嵩M可能用于供暖，若地?zé)嵛菜疁囟容^低，說明供暖系統(tǒng)實(shí)際需求較大，地?zé)嵩荒茉龠^多的承擔(dān)生活用水，此時(shí)生活用水采用一部分地?zé)嵛菜?jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)備，通過控制輔助加熱板換一次側(cè)閥門的開度將水溫控制到65℃后，進(jìn)入生活熱水箱。

　　一般寒冷階段供熱需求相對嚴(yán)寒階段較少，地?zé)嵛菜疁囟雀哂谠O(shè)定值，除滿足供暖的需求外，還可部分滿足生活用水，此時(shí)盡可能多的利用地?zé)嵩峁┥钣盟?。生活用水一部分采用地?zé)嵩?，一部分采用地?zé)嵛菜旌虾蠼?jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)備，再經(jīng)輔助加熱板換控制到設(shè)定溫度后，進(jìn)入生活熱水箱。

　　過渡季節(jié)，由于沒有供熱，生活熱水同夏季。當(dāng)有短時(shí)寒流襲來時(shí)，如生活用水溫度達(dá)不到要求時(shí)，可啟用高溫輔助板換進(jìn)行補(bǔ)充，使生活用水溫度保持在65℃左右。

　　若經(jīng)過梯級利用后地?zé)崴奈菜疁囟热源笥诤侠砼欧诺臏囟葧r(shí)，說明系統(tǒng)所需熱負(fù)荷很小，應(yīng)調(diào)整井泵變頻，減小地?zé)崴?，科學(xué)合理地使用地?zé)豳Y源。

　　3.8地?zé)峋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送

　　3口地?zé)峋嚯x中央監(jiān)控室很遠(yuǎn)，距離約500m，其余2口井各自距離約1500m，設(shè)在地?zé)峋谋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)要傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)，無論使用常規(guī)的雙絞線還是無線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要在通訊網(wǎng)絡(luò)中增加很多通訊中繼器，安裝敷設(shè)或是維護(hù)都比較困難。將地?zé)峋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控計(jì)算機(jī)，關(guān)系到管理人員對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制?？煽紤]選用光纖作為通訊電纜，光纖作為通訊介質(zhì)具有傳輸距離遠(yuǎn)（>1500m）、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速等優(yōu)點(diǎn)。

　　4.結(jié)論

　　4.1 根據(jù)系統(tǒng)工藝設(shè)備配置和負(fù)荷需求，劃分多個(gè)工況，最大限度的梯級利用地?zé)豳Y源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。同時(shí)合理分配系統(tǒng)水量，保證生活用水。

　　4.2 工況切換時(shí)，采用多參數(shù)判定，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　4.3 引入預(yù)測機(jī)制，采用多種調(diào)節(jié)方式，對多種熱源、換熱設(shè)備等進(jìn)行資源總體優(yōu)化控制，最大限度降低運(yùn)行成本。

　　4.4 針對自控系統(tǒng)監(jiān)控對象相對分散的情況，采用分布式控制系統(tǒng)和可靠的通訊傳輸介質(zhì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　Analyse of Geothermy- heat pump heating control system

　　Zhao Tian   Jia Kun   Shao Limin   Wang Hong   Liao Chuanshan

　?。↖nstitute of Air Conditioning， China Academy of Building research， Beijing 100013，China）

　　Abstract：The geothermy- heat pump heating automation system ， which was used in 400，000 m2 area in Beijing， is introduced in the article. It expatiates the control principle to keep the system stable， effective， reasonable and saving energy sources. It also analyses the solution of the special control，。 Instead of conventionally controlling either the supply or the return flow temperature in function of outdoor temperature， the new approach delivers the model predictive control and optimization to keep the comfort and the lowest cost. It has high reference value to design and debug the control system of geothermy- heat pump heating system .

　　Keywords：geothermy， heat pump， automation