地熱—熱泵供暖自控系統(tǒng)分析

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　1.引言

　　進入21世紀，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)生的嚴重環(huán)境污染問題，使人們探索諸如太陽能、生物質(zhì)能、風能、海洋能、氫能、核能等新能源的熱情不斷增加，地熱能作為一種具有廣闊開發(fā)前景的新能源也日益受到關注。我國是一個人口眾多、資源相對貧瘠的大國，地熱資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)濟效益。

　　北京的地熱田屬于低溫熱儲，地熱水的溫度在25～90℃之間，地熱水中含有大量的熱能，通過地熱—熱泵系統(tǒng)將地熱用于供暖具有運行成本低、無污染的優(yōu)勢，并且符合“綠色奧運”的理念。目前北京市政府已把推廣地熱采暖列為治理首都城市污染的措施之一。

　　地熱資源要科學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)地熱－熱泵供暖自控系統(tǒng)進行分析，提出波動調(diào)節(jié)及預估控制，最大限度充分梯級利用地熱資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，是綠色奧運試點工程。小區(qū)共有五口1000米深地熱井，其中兩口抽水井，兩口回灌井以及一口備用井。出水溫度68℃，供水量為150噸/小時?？偣崃繛?5000KW，其中地熱供熱能力為4012KW，地熱－熱泵供熱能力為5988KW，其余由小區(qū)輔助熱源燃氣鍋爐提供。采用熱泵技術將地熱水梯級利用到18℃，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地熱資源。

　　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熱以及輔助熱源，高區(qū)地板輻射供暖來自于二級地熱以及輔助熱源，低區(qū)地板輻射供暖來自于一級二級地熱尾水、熱泵提升以及輔助熱源。

　　3.地熱—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)比較復雜，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、合理、節(jié)能的運行，控制方案必須遵循如下原則：

　　3.1.1最大限度的利用地熱資源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。

　　在最大負荷變小時，優(yōu)先減少輔助加熱量。

　　在負荷有很大減少后，逐級關停熱泵機組和地熱井。

　　在負荷較小時，關停了熱泵機組后，地熱井不能滿足供熱負荷需求時，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采用室外溫度補償動態(tài)負荷調(diào)節(jié)，供暖溫度再設定，既可保證住戶室溫的舒適性又可節(jié)省能源。

　　3.1.5采用模型預測控制及最小二乘優(yōu)化算法，考慮氣象預報、電價計費等因素，使得舒適度、運行成本兩方面都達到最優(yōu)化。

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

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

　　3.1.8地熱井就地控制，監(jiān)控數(shù)據(jù)遠距離傳輸。

　　3.2供熱負荷調(diào)節(jié)與控制

　　根據(jù)各供暖區(qū)不同時間的熱負荷，實時計算實際的供暖量，與設定值進行比較，確定不同的調(diào)節(jié)方案。

　　負荷計算公式：

　　式中： Q——熱負荷；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)由地熱井板換B11和輔助加熱板換Bh2直接負責供暖調(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計算出實際的熱負荷。當?shù)蛥^(qū)散熱器采暖熱負荷百分比在100～35%范圍內(nèi)變化時，優(yōu)先減小輔助加熱量。當負荷百分比在35%～0%范圍內(nèi)變化時，關閉輔助加熱板換Bh2，由地熱井板換B11負責供暖調(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熱泵機組提升低區(qū)散熱器和高區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)的地熱尾水進行供熱，實現(xiàn)地熱資源梯級利用。負荷百分比在不同的階段分別投入不同的機組和熱交換組合。當負荷百分比在100%～42.8%范圍內(nèi)變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵HP滿負荷運行，地熱板換B2、B3、B4與高溫輔助熱源板換Bh3一起負責供暖調(diào)節(jié)，在此范圍內(nèi)負荷減少優(yōu)先減小Bh3.當負荷百分比在43%～30%范圍內(nèi)變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵根據(jù)負荷自動調(diào)節(jié)運行，關閉輔助加熱量Bh3.當負荷百分比在30%～15%范圍內(nèi)變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動調(diào)節(jié)供熱量。當負荷百分比在15%～0%范圍內(nèi)變化時，開啟1口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動調(diào)節(jié)供熱量。

　　在負荷變化百分比的4個不同區(qū)域內(nèi)，每個區(qū)域內(nèi)負荷變化的調(diào)節(jié)方式為：當負荷需求為最大時，熱泵機組、地熱井與輔助加熱一起負責供熱，當負荷變化時優(yōu)先調(diào)節(jié)輔助加熱，輔助加熱調(diào)至全關后，負荷再變化依靠由熱泵機組自身的調(diào)節(jié)功能（增減機頭）來實現(xiàn)控制，當負荷減少量大到需要停止1套熱泵機組時，關閉1熱泵機組及附泵，并適當調(diào)小地熱井潛水泵變頻器值，以保證地熱水供水量滿足要求。

　　當室外溫度較高，或者其他系統(tǒng)負荷降低，經(jīng)過一級二級換熱后的地熱水溫度較高，不需要熱泵進行提升就能滿足低區(qū)地板采暖的要求，這時應關閉熱泵兩側(cè)閥門，打開旁通閥直接進行熱交換。如圖3.2.2所示，關閉HP2V3、HP2V4閥及熱泵一次側(cè)循環(huán)泵，打開HP2V1、HP2V2閥，達到節(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，在不同的供暖負荷需求期，改變供熱循環(huán)水量以適應負荷的變化，同時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，熱負荷需求較小的供暖時期，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，供暖流量設定為保證供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運行的流量值，這樣可以保證在整個供暖周期內(nèi)系統(tǒng)平穩(wěn)的運行。

　　在地板輻射采暖系統(tǒng)中，末端都預留了溫控閥，當溫控閥安裝上后，可以根據(jù)最不利末端的供回水壓差與設定值的差進行PID調(diào)節(jié)變頻器的值，在保證每一個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、時間、負荷參數(shù)的變化，進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)電動蝶閥的控制

　　為了在負荷降低時讓上一級多余的地熱水直接流入下一級，在地熱板換的一次側(cè)都設有旁通閥，見圖3.2.1.在設計的初衷由三通閥來實現(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，由兩個兩通的蝶閥配合使用來實現(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)供水溫度與設定溫度的偏差PID調(diào)節(jié)一次側(cè)水閥B11V1的開度，同時應同步反方向調(diào)節(jié)B11V2的開度，以保證地熱水總流量的穩(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)過程中應根據(jù)B11V1的開度推算進入板換的流量，再計算出旁通B11V2應通過的流量，反推算出B11V2的閥門開度，從而保證總的流量的穩(wěn)定。

　　3.6預測控制

　　圖3.6 北京某小區(qū)日平均熱負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)日平均熱負荷與室外日平均溫度對應關系如圖3.6所示。計算機自動檢測室外溫度后，疊加進相應的供熱調(diào)節(jié)回路中，根據(jù)室外溫度變化，自動調(diào)節(jié)供熱負荷。

　　為了進一步降低運行成本，可以引入預測機制。首先根據(jù)天氣預報資料預測未來24小時系統(tǒng)所需熱負荷，利用該數(shù)值對系統(tǒng)未來24小時的運行工況進行預估，在保證滿足供熱需求和室內(nèi)舒適度的前提下，綜合考慮低谷電價時段、停電時段、設備運行效率等因素，進行優(yōu)化計算，調(diào)整溫度設定值，盡量在低谷電價時段輸出熱量。優(yōu)化計算時，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測值；另一種是在設備高效運行前提下，利用預測的室外溫度瞬態(tài)值和系統(tǒng)動態(tài)熱特性數(shù)學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，地熱水僅用于生活洗浴，打開相應閥門，地熱原水可直接通過增壓泵進入水處理設備，然后進入生活熱水箱。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，由于供熱負荷的需求分階段不同，因此生活用水可以實施不同的方案。嚴寒階段供熱需求大，為盡可能滿足供暖的需求，此時地熱原水盡可能用于供暖，若地熱尾水溫度較低，說明供暖系統(tǒng)實際需求較大，地熱原水不能再過多的承擔生活用水，此時生活用水采用一部分地熱尾水經(jīng)增壓泵進入水處理設備，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，進入生活熱水箱。

　　一般寒冷階段供熱需求相對嚴寒階段較少，地熱尾水溫度高于設定值，除滿足供暖的需求外，還可部分滿足生活用水，此時盡可能多的利用地熱原水提供生活用水。生活用水一部分采用地熱原水，一部分采用地熱尾水，混合后經(jīng)增壓泵進入水處理設備，再經(jīng)輔助加熱板換控制到設定溫度后，進入生活熱水箱。

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

　　若經(jīng)過梯級利用后地熱水的尾水溫度仍大于合理排放的溫度時，說明系統(tǒng)所需熱負荷很小，應調(diào)整井泵變頻，減小地熱水水量，科學合理地使用地熱資源。

　　3.8地熱井監(jiān)控數(shù)據(jù)遠程傳送

　　3口地熱井距離中央監(jiān)控室很遠，距離約500m，其余2口井各自距離約1500m，設在地熱井的監(jiān)控數(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行數(shù)據(jù)傳輸，需要在通訊網(wǎng)絡中增加很多通訊中繼器，安裝敷設或是維護都比較困難。將地熱井監(jiān)控數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控計算機，關系到管理人員對整個系統(tǒng)的實時控制?？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（>1500m）、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速等優(yōu)點。

　　4.結(jié)論

　　4.1 根據(jù)系統(tǒng)工藝設備配置和負荷需求，劃分多個工況，最大限度的梯級利用地熱資源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。同時合理分配系統(tǒng)水量，保證生活用水。

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

　　4.3 引入預測機制，采用多種調(diào)節(jié)方式，對多種熱源、換熱設備等進行資源總體優(yōu)化控制，最大限度降低運行成本。

　　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

　　（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