地源热泵空调系统自动控制策略研究与实现

摘要：地源热泵空调系统的节能是建筑节能中一个迫切需要解决的问题。近年来，地源热泵空调系统以地表浅层地热为热源热汇，在建筑工程中进行供暖和供冷，以地源热泵空调系统突出的环保和节能特性，地源热泵空调系统在建筑工程中得到了广泛的应用。但在地源热泵空调系统的实际运行中，由于地源热泵空调系统组成复杂，人工调控操作误差较大以及部分工作人员缺乏相应的经验，往往造成地源热泵空调系统的运行管理不当，造成很大的资源浪费。本文就地源热泵空调系统自动控制策略研究与实现展开分析与讨论。

关键词：地源热泵；空调系统；自动控制

中图分类号：TB657文献标识码： A

引言

进入二十一世纪以来，能源问题成为全世界人们关注的重点，建筑工程能耗在全社会总能源消耗中占有的比例已经达到30%~45%，其中，建筑工程中采暖空调系统的能耗占建筑能源消耗的60% ~70%，己经成为我国电力高峰负荷的重要组成部分。因此降低建筑工程采暖空调的能源消耗对整个社会的节能减排工作具有重要的意义，在众多的建筑工程节能技术当中，开发新能源，采用低品位地源热泵以及有效利用余热、废热的新型暖通空调技术，成为当前建筑工程节能的发展热点。

一、地源热泵空调自动控制的必要性

为了使地源热泵空调系统工艺介质的温度、湿度等一系列参数达到舒适度要求或工艺指标，地源热泵暖通空调系统需要一定的控制手段来保证。此外，还要实现地源热泵空调系统安全稳定的运行，并且尽可能考虑地源热泵空调系统节能高效的工作，也需要较好的控制策略来实现地源热泵空调系统。首先，对于一般的地源热泵空调系统，由于地源热泵空调系统缺乏有效的控制手段，存在以下几类问题。

1.地源热泵空调系统无法满足负荷变化的不均匀性。在地源热泵空调系统设计上，空调机组、水泵、风机等设备都是按照最不利的工况进行选型，随着全国各地季节不断变化，昼夜差异以及用户侧负荷的变化，而地源热泵空调系统的实际运行基本都是在非满负荷状态下，若按照地源热泵空调系统设计额定工况运行机组与水泵，势必造成地源热泵空调系统能量的巨大浪费。

2.地源热泵空调系统的干扰较多，在地源热泵空调系统中有送风及围护结构传热的外部扰动，房间内电器、照明散热等内部扰动比较法，地源热泵空调系统都会对室内温湿度产生影响。地源热泵空调系统运行中主要通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，地源热泵空调系统存在较大节流损失。地源热泵空调系统不仅浪费大量电能，而且还可能造成地源热泵空调系统运行大幅度偏离额定设计的情形，对地源热泵空调系统设备带来不利的影响。

3.通过水泵开启台数的控制，造成地源热泵空调系统电机起停频繁，对地源热泵长期安全运行带来不利影响。地源热泵启动电流通常为额定值的5倍左右，地源热泵电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，接触器触点、停电对电机、空气形状触点产生电弧冲击，地源热泵也会给电网带来一定冲击。同时地源热泵启动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械轴承、传动、阀门等造成一定的疲劳损伤，对水泵造成严重的损伤。

二、地源热泵空调系统控制策略研究

目前，地源热泵空调系统变流量冷冻水系统变频控制方式主要有温差控制、压差控制、流量控制以及在地源热泵空调系统中以上控制方式的基础之上形成的综合控制。本文主要介绍以下两种控制方式。

1.压差控制

在地源热泵空调系统中压差控制是一种最常见的地源热泵空调系统统控制方式，主要由地源热泵空调系统变频控制器、冷冻水泵、压差传感器及其管路等组成，压差控制要求地源热泵空调系统中空气处理末端装置的冷冻水管路上必须设置能随负荷变化而调节流量的二通阀，如电动阀、电磁阀等。在这种地源热泵空调系统压差控制控制方式中，采用地源热泵空调系统冷冻水系统中某处的压差H作为变频控制器的采样输入信号。在地源热泵空调系统运行过程中，当地源热泵空调系统负荷发生改变时，由于地源热泵空调系统相应管路上阀门开度的变化而引起管路上压差的改变，地源热泵空调系统压差控制器检测到这一变化后，通过与地源热泵空调系统压差控制设定值比较，按照地源热泵空调系统预先设定的控制算法计算出偏差，并产生输出信号控制冷冻水泵电机的运转频率，从而通过改变地源热泵空调系统冷冻水泵的流量和扬程等来适应空调负荷的变化。

图1.压差变流量控制流程图

由于地源热泵空调系统采用的是冷冻水循环环路中的压差信号，地源热泵空调系统受环境温湿度干扰的影响较小，反应较快、较灵敏，一旦地源热泵空调系统中某处压差产生变化时，地源热泵空调系统能及时感知并采取控制行动。由于静压传递的关系，地源热泵空调系统中任何地方的负荷变化都能在压力或压差检测点得到相应的反映。由于地源热泵空调系统该压差与冷冻水系统的流程、流动阻力等有密切关系，可以比较准确地反映地源热泵空调系统内部冷冻水流动的变化。

缺点：由于只考虑到地源热泵空调系统的管网特性，未考虑地源热泵空调系统的热力特性，不能反映地源热泵空调系统负荷的变化，不能保证建筑工程室内温/湿度要求，地源热泵空调系统在建筑工程中节能效果不明显。

2.温差控制

在地源热泵空调系统中温差控制方式主要由供水或回水温度传感器、变频控制器、冷冻水泵及其管路等组成。 地源热泵空调系统中温差控制用冷冻水供水或回水总管中的供水或回水温度、供回水的温差作为控制器的采样输入信号、控制器将地源热泵空调系统中该输入信号与内部的设定值进行比较，得出地源热泵空调系统中需要的输出信号来控制冷冻水泵的转速，使地源热泵空调系统冷冻水的流量满足空调负荷变化的要求。

图2.压差变流量控制流程图

优点：从地源热泵空调系统热力特性出发，能保证建筑工行曾室内温/湿度要求，能够良好的反映地源热泵空调系统负荷的变化，地源热泵空调系统供/回水温差可达到4.5°C以上,建筑工程空调系统节能效果明显，能够实现对建筑工程内/外循环泵变流量控制。

缺点：地源热泵空调系统温差控制方式，建筑工程中温度采样点离负荷变化点有一定的距离，地源热泵空调系统中冷冻水流动中易受环境温度等的干扰。同时，只有当地源热泵空调系统冷冻水经过一个循环后，地源热泵空调系统温度变化才能反映出来，故控制的稳定性较差。地源热泵空调系统温度控制方法虽能在一定程度上稳定地源热泵空调系统总的供水或回水温度，但不能根据地源热泵空调系统负荷变化准确地分配各用户所需要的冷冻水量并提供适当的水压。

当同样的地源热泵空调系统负荷变化发生在不同楼层的用户端时，仅从地源热泵空调系统冷冻水的温度上是反映不出其中的差别的，但在地源热泵空调系统最高层与最低层变负荷时对冷冻水泵的扬程的要求是不同的，因此地源热泵空调系统采用这种温度控制方式有可能造成部分用户的供水不足或是达不到理想的建筑工程节能效果。该控制地源热泵空调系统中，由于地源热泵空调系统冷冻水的流量与温度间不存在准确的对应关系，且缺少对地源热泵空调系统管路系统实际所需压头(扬程)的检测，在地源热泵空调系统温度控制的稳定性和可靠性方面不如压差控制方式。

结束语

近年来，地源热泵空调系统因其突出的环保和节能特性，但在地源热泵空调系统的实际运行中却暴露出许多问题，由于地源热泵空调系统运行管理不当，不仅会使整套地源热泵空调系统效率降低，运行费用上升，造成能源浪费，而且会使土壤热不平衡现象严重，使地埋管换热能力大大降低。

参考文献：

[1]肖向阳.地源热泵中央空调节能控制系统研究[D].湖南师范大学,2010.

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