地热—热泵供暖自控系统分析

　　1.引言

　　进入21世纪，能源与环境问题成为人类迫切需要解决的大问题，它直接影响到全球生态平衡和人类的可持续发展。由于能源短缺以及传统不可再生燃料使用所产生的严重环境污染问题，使人们探索诸如太阳能、生物质能、风能、海洋能、氢能、核能等新能源的热情不断增加，地热能作为一种具有广阔开发前景的新能源也日益受到关注。我国是一个人口众多、资源相对贫瘠的大国，地热资源是可再生利用的清洁能源，既节约了宝贵的不可再生能源，又可改善环境取得生态效益及经济效益。

　　北京的地热田属于低温热储，地热水的温度在25～90℃之间，地热水中含有大量的热能，通过地热—热泵系统将地热用于供暖具有运行成本低、无污染的优势，并且符合“绿色奥运”的理念。目前北京市政府已把推广地热采暖列为治理首都城市污染的措施之一。

　　地热资源要科学合理的使用才能保证资源的充分利用和其可再生性，本文主要针对北京某小区地热－热泵供暖自控系统进行分析，提出波动调节及预估控制，最大限度充分梯级利用地热资源并保证尾水合理使用及回灌。

　　2.工程概述

　　该小区位于北京北部，建筑面积40万平米，其中住宅34.6万平米，配套用房5.5万平米，是绿色奥运试点工程。小区共有五口1000米深地热井，其中两口抽水井，两口回灌井以及一口备用井。出水温度68℃，供水量为150吨/小时。总供热量为25000KW，其中地热供热能力为4012KW，地热－热泵供热能力为5988KW，其余由小区辅助热源燃气锅炉提供。采用热泵技术将地热水梯级利用到18℃，提供小区供暖，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护地热资源。

　　小区的供暖梯级利用分为三部分，分别为低区散热器供暖、高区地板辐射供暖、低区地板辐射供暖。其中低区散热器供暖来自于一级地热以及辅助热源，高区地板辐射供暖来自于二级地热以及辅助热源，低区地板辐射供暖来自于一级二级地热尾水、热泵提升以及辅助热源。

　　3.地热—热泵供热系统的控制方案

　　3.1控制的基本原则

　　由于系统比较复杂，要保证系统稳定、高效、合理、节能的运行，控制方案必须遵循如下原则：

　　3.1.1最大限度的利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。

　　在最大负荷变小时，优先减少辅助加热量。

　　在负荷有很大减少后，逐级关停热泵机组和地热井。

　　在负荷较小时，关停了热泵机组后，地热井不能满足供热负荷需求时，再开启辅助加热系统。

　　3.1.2采用质和量并调的调节方式。

　　3.1.3 多参数、多工况判断切换不同的供暖工况。

　　3.1.4采用室外温度补偿动态负荷调节，供暖温度再设定，既可保证住户室温的舒适性又可节省能源。

　　3.1.5采用模型预测控制及最小二乘优化算法，考虑气象预报、电价计费等因素，使得舒适度、运行成本两方面都达到最优化。

　　3.1.6供回水泵、井泵变频控制，根据负荷及尾水排放条件对水泵进行变频控制。

　　3.1.7分季节、分时间控制生活热水系统，在保证不同负荷的用水量下，最大限度降低运行能耗。

　　3.1.8地热井就地控制，监控数据远距离传输。

　　3.2供热负荷调节与控制

　　根据各供暖区不同时间的热负荷，实时计算实际的供暖量，与设定值进行比较，确定不同的调节方案。

　　负荷计算公式：

　　式中： Q——热负荷；F——流量；tg——供水温度；th——回水温度

　　3.2.1低区散热器系统负荷控制

　　图3.2.1 低区散热器采暖系统控制原理图

　　低区散热器系统由地热井板换B11和辅助加热板换Bh2直接负责供暖调节。通过测量低区散热器供水温度T11、回水温度T12以及流量值FR2计算出实际的热负荷。当低区散热器采暖热负荷百分比在100～35%范围内变化时，优先减小辅助加热量。当负荷百分比在35%～0%范围内变化时，关闭辅助加热板换Bh2，由地热井板换B11负责供暖调节。低区散热器采暖系统控制原理图见图3.2.1.高区地板采暖系统控制原则与低区散热器采暖控制原则基本相同。

　　3.2.2低区地板辐射采暖系统

　　图3.2.2 低区地板辐射采暖系统控制原理图

　　低区地板辐射采暖利用三台热泵机组提升低区散热器和高区地板辐射采暖系统的地热尾水进行供热，实现地热资源梯级利用。负荷百分比在不同的阶段分别投入不同的机组和热交换组合。当负荷百分比在100%～42.8%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵HP满负荷运行，地热板换B2、B3、B4与高温辅助热源板换Bh3一起负责供暖调节，在此范围内负荷减少优先减小Bh3.当负荷百分比在43%～30%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵根据负荷自动调节运行，关闭辅助加热量Bh3.当负荷百分比在30%～15%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵全停，由地热板换B2、B3、B4自动调节供热量。当负荷百分比在15%～0%范围内变化时，开启1口地热井，3台热泵全停，由地热板换B2、B3、B4自动调节供热量。

　　在负荷变化百分比的4个不同区域内，每个区域内负荷变化的调节方式为：当负荷需求为最大时，热泵机组、地热井与辅助加热一起负责供热，当负荷变化时优先调节辅助加热，辅助加热调至全关后，负荷再变化依靠由热泵机组自身的调节功能（增减机头）来实现控制，当负荷减少量大到需要停止1套热泵机组时，关闭1热泵机组及附泵，并适当调小地热井潜水泵变频器值，以保证地热水供水量满足要求。

　　当室外温度较高，或者其他系统负荷降低，经过一级二级换热后的地热水温度较高，不需要热泵进行提升就能满足低区地板采暖的要求，这时应关闭热泵两侧阀门，打开旁通阀直接进行热交换。如图3.2.2所示，关闭HP2V3、HP2V4阀及热泵一次侧循环泵，打开HP2V1、HP2V2阀，达到节能目的。

　　3.3质调节与量调节

　　在供暖系统二次侧环路，采用分阶段变流量的量调节方式，在不同的供暖负荷需求期，改变供热循环水量以适应负荷的变化，同时辅以变供水温度的质调节方式，对于室外温度高于某一值，热负荷需求较小的供暖时期，不采用变流量的量调节方式，而采用变供水温度的质调节方式，供暖流量设定为保证供暖系统稳定运行的流量值，这样可以保证在整个供暖周期内系统平稳的运行。

　　在地板辐射采暖系统中，末端都预留了温控阀，当温控阀安装上后，可以根据最不利末端的供回水压差与设定值的差进行PID调节变频器的值，在保证每一个供暖末端用户都能自己控制室温的条件下，系统仍能稳定运行。

　　3.4多参数、多工况判断切换不同的供暖工况

　　综合温度、时间、负荷参数的变化，进行不同供暖工况的切换，避免因单一参数的不稳定性，造成频繁的工况切换而使系统振荡。

　　3.5一次侧电动蝶阀的控制

　　为了在负荷降低时让上一级多余的地热水直接流入下一级，在地热板换的一次侧都设有旁通阀，见图3.2.1.在设计的初衷由三通阀来实现调节功能，但由于一次侧管径都为DN100到DN200的大管径，并考虑到工作压力、温度介质以及系统阻力平衡后，由两个两通的蝶阀配合使用来实现调节功能。因此为保证二次侧供水温度的稳定，需要根据供水温度与设定温度的偏差PID调节一次侧水阀B11V1的开度，同时应同步反方向调节B11V2的开度，以保证地热水总流量的稳定。但由于蝶阀的特性曲线并不是线性的，各厂家制造的蝶阀特性曲线也有较大的区别。通常来说阀板较薄的接近于百分比特性，阀板较厚的则接近直线特性。阀的开度L<60%的范围内接近等百分比特性，在L>60％的范围内，多表现为直线特性，甚至表现为快开特性。在调节过程中应根据B11V1的开度推算进入板换的流量，再计算出旁通B11V2应通过的流量，反推算出B11V2的阀门开度，从而保证总的流量的稳定。

　　3.6预测控制

　　图3.6 北京某小区日平均热负荷与室外日平均温度曲线

　　传统的控制思路以室外温度为函数的供水温度控制。供热系统日平均热负荷与室外日平均温度对应关系如图3.6所示。计算机自动检测室外温度后，叠加进相应的供热调节回路中，根据室外温度变化，自动调节供热负荷。

　　为了进一步降低运行成本，可以引入预测机制。首先根据天气预报资料预测未来24小时系统所需热负荷，利用该数值对系统未来24小时的运行工况进行预估，在保证满足供热需求和室内舒适度的前提下，综合考虑低谷电价时段、停电时段、设备运行效率等因素，进行优化计算，调整温度设定值，尽量在低谷电价时段输出热量。优化计算时，有两种方案，一种只考虑系统稳态特性和室外平均温度预测值；另一种是在设备高效运行前提下，利用预测的室外温度瞬态值和系统动态热特性数学模型采用最小二乘法寻优使所需热量得到最优化分配。

　　3.7分季节控制生活热水系统

　　夏季，由于没有供热，地热水仅用于生活洗浴，打开相应阀门，地热原水可直接通过增压泵进入水处理设备，然后进入生活热水箱。若水箱出水温偏高，则加入自来水，使生活用水温度保持在65℃左右。根据供水温度与设定值的差，开闭自来水电磁阀，控制水箱温度。

　　冬季，由于供热负荷的需求分阶段不同，因此生活用水可以实施不同的方案。严寒阶段供热需求大，为尽可能满足供暖的需求，此时地热原水尽可能用于供暖，若地热尾水温度较低，说明供暖系统实际需求较大，地热原水不能再过多的承担生活用水，此时生活用水采用一部分地热尾水经增压泵进入水处理设备，通过控制辅助加热板换一次侧阀门的开度将水温控制到65℃后，进入生活热水箱。

　　一般寒冷阶段供热需求相对严寒阶段较少，地热尾水温度高于设定值，除满足供暖的需求外，还可部分满足生活用水，此时尽可能多的利用地热原水提供生活用水。生活用水一部分采用地热原水，一部分采用地热尾水，混合后经增压泵进入水处理设备，再经辅助加热板换控制到设定温度后，进入生活热水箱。

　　过渡季节，由于没有供热，生活热水同夏季。当有短时寒流袭来时，如生活用水温度达不到要求时，可启用高温辅助板换进行补充，使生活用水温度保持在65℃左右。

　　若经过梯级利用后地热水的尾水温度仍大于合理排放的温度时，说明系统所需热负荷很小，应调整井泵变频，减小地热水水量，科学合理地使用地热资源。

　　3.8地热井监控数据远程传送

　　3口地热井距离中央监控室很远，距离约500m，其余2口井各自距离约1500m，设在地热井的监控数据要传输到中央监控系统，无论使用常规的双绞线还是无线通讯方式进行数据传输，需要在通讯网络中增加很多通讯中继器，安装敷设或是维护都比较困难。将地热井监控数据可靠、稳定的传输到中央监控计算机，关系到管理人员对整个系统的实时控制。可考虑选用光纤作为通讯电缆，光纤作为通讯介质具有传输距离远（>1500m）、数据传输稳定、快速等优点。

　　4.结论

　　4.1 根据系统工艺设备配置和负荷需求，划分多个工况，最大限度的梯级利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。同时合理分配系统水量，保证生活用水。

　　4.2 工况切换时，采用多参数判定，保证系统稳定性。

　　4.3 引入预测机制，采用多种调节方式，对多种热源、换热设备等进行资源总体优化控制，最大限度降低运行成本。

　　4.4 针对自控系统监控对象相对分散的情况，采用分布式控制系统和可靠的通讯传输介质保证系统稳定。

　　Analyse of Geothermy- heat pump heating control system

　　Zhao Tian   Jia Kun   Shao Limin   Wang Hong   Liao Chuanshan

　　（Institute 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

　　参考文献

　　[1] 刘国林主编。建筑物自动化系统。北京：机械工业出版社，2002

　　[2] E. Shafai， R. Wimmer， H. P. Geering .A New Control Approach for Heat Pump Heating Systems. Beijing：7th International Energy Agency Heat Pump Conference，2002