李　立，徐昕遠(yuǎn)，任　明，李　敬，李　明

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院, 湘潭411101; 2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心,湘潭411101；3.廣州供電局，廣州 510620 ；4. 湖南凌天科技有限公司，湘潭 411100)

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地源熱泵系統(tǒng)冬季運行測試及控制策略研究

李立1，2，徐昕遠(yuǎn)3，任明1，李敬1，李明4

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院, 湘潭411101; 2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心,湘潭411101；3.廣州供電局，廣州 510620 ；4. 湖南凌天科技有限公司，湘潭 411100)

介紹了地源熱泵系統(tǒng)冬季運行工況的能效測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步對冷熱不平衡地區(qū)的熱泵節(jié)能運行奠定了研究基礎(chǔ).提出了溫差控制策略，以AT89C51為核心,設(shè)計了PID調(diào)節(jié)的硬件系統(tǒng)，且對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實驗驗證.與以往的控制策略相比，該方法具有更加節(jié)能、穩(wěn)定的效果，是實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能控制的一種有效方法.

地源熱泵；能效測試；溫差控制；PID；節(jié)能

0　引　言

地?zé)崮芫哂谐Ｄ隃囟确€(wěn)定的特點，可以作為熱泵循環(huán)的理想熱源形式.地源熱泵技術(shù)利用清潔可再生的自然能源，實現(xiàn)供暖和供冷，是一項有推廣價值的建筑供能節(jié)能技術(shù).在我國，建筑能耗已經(jīng)達(dá)到國家總能耗的近30%，其中，空調(diào)能耗占建筑耗能的40%以上.對于遠(yuǎn)離集中熱網(wǎng)的中小型建筑，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖是一種較好的供暖方案.近年來，對熱泵技術(shù)的應(yīng)用研究也越來越得到關(guān)注.不少學(xué)者和工程技術(shù)人員在地埋管設(shè)計問題和地源熱泵系統(tǒng)運行性能等方面進(jìn)行了深入的研究.如：文獻(xiàn)[1]介紹了土壤及回填料熱物性、埋管結(jié)構(gòu)設(shè)計對地埋管性能的影響，分析了不同土壤熱物性下地埋管的換熱效果；文獻(xiàn)[2]通過調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組的制冷量，進(jìn)行了地源熱泵負(fù)荷耦合與節(jié)能研究；文獻(xiàn)[3]通過應(yīng)用DeST軟件模擬出某建筑全年逐時冷熱負(fù)荷，并針對地源熱泵系統(tǒng)中出現(xiàn)的排熱量和取熱量的不均衡，提出地下熱堆積問題的解決方案；文獻(xiàn)[4]介紹了基于動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件TRNSYS開發(fā)的埋管設(shè)計對地源熱泵系統(tǒng)性能影響的研究；凌天科技公司采用冷卻塔輔助排熱的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建、土壤源熱泵工程在地溫異常情況下的工程解決方案[5]，以及基于測試平臺搭建熱泵機(jī)組的性能測試研究[6]等研究都為熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗.然而，這些研究絕大多數(shù)都局限于對所建立的實驗系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析和依賴于埋地?fù)Q熱器傳熱模型的建立，得出的土壤源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論.基于正在運行的中小型熱泵工程項目的現(xiàn)場測試不多，而且所能提供的數(shù)據(jù)較少，目前尚缺乏埋管設(shè)計參數(shù)的深入定量研究和能效分析，對如何控制地埋管地源熱泵系統(tǒng)，使其長期可靠運行和高效節(jié)能成為了一項重要的課題.

1　地源熱泵系統(tǒng)冬季運行測試

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以土壤為冷、 熱源，通過地埋管在土壤中布置成密閉管線，再通過管線內(nèi)介質(zhì)(水)與土壤進(jìn)行熱交換的.僅消耗少量電能，便可實現(xiàn)冬季從土壤中取熱，以供房間熱量，同時蓄存冷量以備夏季制冷用，夏季反之.

1.1地源熱泵測試系統(tǒng)

地源熱泵能效測試目的是為了獲得地源熱泵正常運行的工作數(shù)據(jù)，來評估熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性能指標(biāo)，也為將來對在不同環(huán)境溫度下，如何結(jié)合風(fēng)冷運行的復(fù)合地溫?zé)岜孟到y(tǒng)的節(jié)能研究奠定基礎(chǔ).測試地點，選擇位于湘潭市雨湖區(qū)先鋒工業(yè)園湖南凌天科技有限公司辦公樓熱泵機(jī)房，對正在運行的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試.U型管地源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示.

熱平衡一直是保證地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題.在我國南方地區(qū)，建筑的夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季的熱負(fù)荷，熱泵系統(tǒng)長期運行后，排入地下的熱量大于從地下吸取的熱量， 因而導(dǎo)致熱量在地下的積累，使得地下土壤層的溫度逐漸升高，不少地埋管換熱系統(tǒng)在使用多年后就出現(xiàn)了運行狀況不良的情況.圖1中解決土壤熱平衡的方法采取增加輔助冷卻塔方法，在夏季聯(lián)合使用地源和冷卻塔換熱.利用冷卻塔承擔(dān)夏季超額的向地下層排出的熱量，冬季系統(tǒng)運行時，關(guān)閉冷卻塔僅使用地埋管換熱.

圖1　U型地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理圖

1.2測試條件

地溫?zé)岜孟到y(tǒng)冬季工況下的日常能效實驗研究，選擇在室外溫度約為-2 ～10 ℃的最冷天氣，約每隔30min測試一次，連續(xù)測試1周.測試參數(shù)有：熱泵機(jī)組(含水泵)的總平均功率N1、用戶側(cè)回水溫度A1、用戶側(cè)供水溫度A2、地源側(cè)回水溫度A3、地源側(cè)出水溫度A4.

運行熱泵機(jī)組為LTDW/Y-650.空調(diào)工況下制冷量為 63.8.6kW，制冷輸入功率為 17.12kW，制冷輸入電流29.4A;制熱量為 70.58kW，制熱輸入功率是 18.82kW，制熱輸入電流32A；蒸發(fā)器流量為 14m3/h，冷凝器流量為 11m3/h.

考慮到保持土壤的熱平衡，地埋管的數(shù)量按照冬季設(shè)計負(fù)荷來計算，夏季制冷工況下多余的熱量由冷卻塔來承擔(dān).由于夏季冷卻水側(cè)是按定流量來設(shè)計的，所以在冬季的水源熱泵冷凝水流量設(shè)為定流量進(jìn)行測量，冷凝器流量為 11m3/h.

1.3測試結(jié)果及分析

本文選擇地源熱泵系統(tǒng)某白天的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　地源熱泵系統(tǒng)某白天的測試數(shù)據(jù)

地源熱泵工作溫度采集數(shù)據(jù)如圖2所示.圖中繪出了用戶側(cè)供、回水溫度，地源側(cè)出水、回水溫度的變化曲線.

對表1的數(shù)據(jù)的處理方法為：

(1)總平均功率N1包含2臺機(jī)組的機(jī)組耗能和水泵耗能，測量設(shè)計時考慮到電流大，采用了變比為200∶5的電流互感器，故計算時2臺機(jī)組的總耗能N應(yīng)該考慮為:N=N1*200/5；

圖2　地源熱泵工作溫度的采集數(shù)據(jù)(2014.12.22日，23日)

(2)由于表1中總平均功率N1為機(jī)房2臺熱泵機(jī)組總和，而計算的制熱量Q1為1臺熱泵機(jī)組的制熱量，故總制熱量Q應(yīng)按照2臺機(jī)組的計算，即：Q=Q1*2.這樣有：

制熱能耗比:

(1)

依據(jù)循環(huán)水流量的計算公式易得到制熱量Q1的計算式為[6 ]：

(2)

式中：q為流量，單位m3/h；Δt為供水與回水溫度差，單位為℃；制熱量Q1的單位為kW.

由表1數(shù)據(jù)可以計算得出：總平均功率N=0.575*200/5=23kW, 用戶側(cè)平均回水溫度A1=38.5 ℃，用戶側(cè)平均供水溫度A2=41.3 ℃，供水與回水溫差Δt=2.8 ℃.按照公式2計算得出： Q=71.63kW，制熱能耗比由公式1計算得出：COPSH=3.114.能耗比3.114達(dá)到了《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》，冬季系統(tǒng)的能耗比不小于2.6的要求.

2　地源熱泵系統(tǒng)控制策略研究

2.1控制方法選擇與設(shè)計

目前,在熱泵系統(tǒng)的自動控制中 ,通常以蒸發(fā)壓力和冷凝壓力作為被控對象.采用PID或者模糊PID控制策略，通過變頻控制循環(huán)水泵流量來控制熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定、節(jié)能運行.為降低傳感器成本,出現(xiàn)了采用冷凝器和蒸發(fā)器的溫度來反映系統(tǒng)的冷凝、蒸發(fā)壓力的研究.對于混合式地源熱泵系統(tǒng)采用控制地埋管出水溫度、配合控制冷卻塔運行時間等控制方法都有介紹.但由于需配置較大的冷卻塔成本高，這些方法在夏季冷負(fù)荷受外環(huán)境溫度影響不大的場合可控制性不理想；以及由于外界溫度的變化大，使用壓差控制時會導(dǎo)致熱泵機(jī)組的啟動和停止較頻繁等問題，不符合節(jié)能的主旨.本文提出了依照用戶側(cè)供水、回水的溫度差變流量控制方案，能更加直接高效地控制建筑物內(nèi)的溫度.

本文針對溫差控制方案，首先以AT89C51為核心, 溫度采集選用pt100熱電阻溫度傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換選用pcf8591ADC轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成硬件系統(tǒng)，硬件框圖如圖3所示.

圖3　溫差控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2控制系統(tǒng)調(diào)試

在完成溫差控制系統(tǒng)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試后，在凌天科技有限公司熱泵機(jī)房進(jìn)行了溫度采集輸出實驗和溫度電壓檢測實驗的實驗驗證.

圖4為溫差與輸出電壓線性度的測試.試驗在常溫15 ℃條件下運行，另設(shè)一個可變的溫度源，輸出顯示采用LCD1602芯片.圖5可以看出，實際輸出的溫差(上直線)與理論溫差(下直線)有2 ℃左右的誤差，但線性度好.后采取2 ℃溫差修正可以達(dá)到預(yù)定精確值，誤差小于±0.3 ℃.將控制板應(yīng)用到企業(yè)的熱泵系統(tǒng)，與變頻器聯(lián)調(diào)，得到了滿意的控制效果.

圖4　溫差與輸出電壓線性度的測試

3　結(jié)　論

地源熱泵技術(shù)利用清潔可再生的自然能源，實現(xiàn)供暖和供冷，是一項有推廣價值的建筑供能節(jié)能技術(shù).本文介紹的冬季運行工況下地源熱泵系統(tǒng)的能效測試，是對正在運行的地源熱泵系統(tǒng)的實際測試，測試結(jié)果的分析為熱泵系統(tǒng)的節(jié)能運行提供了依據(jù).也為后階段針對冷熱不平衡的南方地區(qū)，在不同的溫度段采用地埋管熱泵和風(fēng)冷熱泵的復(fù)合節(jié)能控制，提供了可行的實驗方法和有效數(shù)據(jù).提出的基于溫差控制策略，克服了壓差控制過程熱泵機(jī)組啟停比較頻繁等問題.具有更加節(jié)能、穩(wěn)定的效果，為以后的地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能控制提供了一種可以借鑒的方法.

[1]梁意藝,劉向龍.土壤源地源熱泵地埋管傳熱與機(jī)組性能的實驗研究[J].制冷與空調(diào),2012,26(5):500-503.

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[3]石文，劉秋新.地源熱泵系統(tǒng)中地下熱堆積問題的解決方案[J].建筑節(jié)能，2009,37(233)：54-55.

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RunningTestofGroundSourceHeatPumpSystemandControlStrategyResearch

LILi1,2,XUXin-yuan3,RENMing1,LIJing1,LIMing4

(1.CollegeofElectrandInformationEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China;2.HunanProvinceCooperativeInnovationCenterforWindPowerEquipmentandEnergyConversion,Xiangtan411101,China;3.GuangzhouPowerSupply，Guangzhou510620,China;4.HunanLingtianScienceandTechnologyCo.Ltd.,Xiangtan411201,China)

Thepaperintroducestheenergyefficiencytestofgroundsourceheatpumpsysteminwinteroperatingcondition.Thenthetestresultisanalyzed,whichfurtherlaystheresearchfoundationforheatpumpenergysavingoperationinhotandcoldregions.Thetemperaturedifferencecontrolstrategyisputforward.TakingAT89C51asthecore,thehardwaresystemofPIDregulationisdesigned,andtheexperimentalverificationiscarriedoutbytheheatpumpsystem.Comparedwiththepreviouscontrolstrategy,savesmoreenergyandhasastableeffects,whichprovidesaneffectivemethodfortheenergysavingcontrolofthegeothermalheatpumpsystem.

geothermalheatpump;energyefficiencytest;temperaturedifferencecontrol;PID;energysaving

2015-09-18

湖南省科技計劃資助項目(2014GK3126)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目( 14JJ6040).

李立(1961-), 女，碩士，教授，研究方向：測控技術(shù)與電子技術(shù)應(yīng)用.

TK79

A

1671-119X(2016)01-0006-04