地下水源热泵中央空调节能控制系统的研究及应用

摘 要：在建筑能耗居高不下的大背景下，地下水源热泵系统因其具有较高的性能系数和可利用容易再生低品位能源的节能优势而得到了广泛地应用。伴随着水源热泵系统应用数量的增多，很多问题也暴露出来，加强对热泵系统温度控制和节能的研究，提高热泵系统的运行效率、减小维护成本，是地源热泵空调普及过程中函待解决的问题，同时实现空调系统最大程度上的节能运行，改进地源热泵空调系统控制方案以实现节能无疑具有现实意义。

关键词： 地源热泵 变频 模糊控制 PID算法

1.前言

随着城市的建设和发展，以节能、环保为更高目标的创新发展浪潮已在全国迅猛兴起，利用地源热泵、水源热泵等进行供热采暖和制冷的空调已成为建筑节能的优先选择。

地下水源热泵空调系统是一种先进、高效、节能、环保的空调系统，是对可再生的地热能资源的一种利用。面对当前日益严重的环境问题和能源紧缺危机，合理高效的利用地热资源是解决环境和能源问题的有效途径。但是由于地下水源热泵空调系统自身的时变、非线性、大滞后等特性，在实际应用中采用常规的控制策略难以得到良好的控制效果，以至于节能效果不明显。

在当前的地源热泵空调系统中，存在自动化程度不高和控制系统能耗较大等问题，导致系统工作效率不高。因而，研究一套高效节能的自动控制系统，对于降低地源热泵空调能耗和提高其工作效率具有重要意义。

文章以地源热泵中央空调控制系统为研究对象，在研究地源热泵

空调系统的工作原理和控制机理的基础上，针对其在温度节能控制方

面的不足，运用模糊智能控制技术和PID调节相结合的控制方式，对其水循环系统实施变频流量控制，以求在提高控制精度的同时又达到

节能的目的。

2、地源热泵空调系统的工作原理

地下水源热泵中央空调系统主要由热泵机组系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、末端装置和潜水泵组成。它与普通空调系统相比，具有使用一套系统即可同时满足制冷和供热需求的特点，同时能够有效的利用低品位冷、热源有着节能方面的巨大优势。地源热泵中央空调与传统空气源热泵中央空调的供热、制冷方式相比，具有如下优点：

⑴使用可再生的清洁能源，环境效益显著。

⑵地源热泵是一项高效节能的技术，运行费用低。

⑶舒适度和自动化程度高。

地源热泵空调系统的工作过程是一个不断进行热量交换的能量转换过程。在这里，地埋管水循环和室内末端水循环系统是能量的主要传递者。因此，对地埋管水循环和室内末端水循环系统的控制是地源热泵空调控制系统的重要组成部分。

3、地源热泵空调节能研究

3.1系统能耗分析

中央空调是现代建筑物的能耗大户。舒适性中央空调又具有使用时间集中、季节性负荷大的特点，更加重了我国电网负荷峰谷差的矛盾，因此，采用高新技术和装备提高中央空调的能源利用效率刻不容缓。

中央空调系统运行中，可以采用多种手段实现节能的目的但在空调系统设备选型己经确定和投入实际运行之后，节能的途径就主要体现在对各种设备的控制上面了。采用节能的控制技术可获得很好的节能效果，这也是实际工作中重点所在。

3.2系统节能分析

在地源热泵中央空调的耗能设备中，制冷压缩机、冷冻水泵、冷却水泵等制冷设备的能耗是最主要的， 取决于设备的装机容量及运行控制技术，而装机容量的选择又是以空调负荷为依据的。因此，一方面，应该通过增大建筑物围护的热阻、提高建筑围护结构的保冷隔热性能来有效减少建筑物的冷负荷。而另一方面，在空调系统的冷负荷和装机容量确定以后，空调节能的关键就在于运行控制技术和设备的选择。选用先进的运行控制技术和设备，提高冷水机组和循环水泵的能源利用效率，对降低空调系统能耗而言至关重要。

3.3系统节能控制

地源热泵作为一种新型技术，在温度、节能和智能化控制上面的

研究应用还不是很完善，没有固定的模式可以照搬，故在工程上还需

要借鉴和采用传统空调控制系统的模式。

随着技术的发展，可使用变频技术对泵的运行进行控制，从而达到调节流量的目的，这就是变频流量控制技术。变频流量控制技术是一项节能的控制技术，不仅可以避免电动阀门控制造成的电能浪费提高控制和调节的精度，还可以实现水循环系统的变频节能控制，是降低空调系统运行能耗的较好解决方案。

基于变频调速控制精度和自动化程度高的特点，通过变频改变水泵和风机的转速，对空调系统各项指标如温度、湿度、风速和风量等进行控制和调节，以节省电能并实现同步负荷控制。

4、自适应模糊plD控制技术运用分析

PID控制具有结构简单、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定控制系统。PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定，传统的方法是在获取对象的数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定参数。但在地源热泵空调系统中，由于被控对象具有高度非线性、时变不确定性和大滞后性等特点，其过程参数实际上会随时间和工作环境的变化而变化，从而难以确定恰当的PID参数，使得常规的PID控制难以取得满意的控制效果。基于模糊控制调节迅速、超调量小的优点，将模糊控制技术引入到PID控制器参数调整的过程中来，使PID控制器能够实现参数在线自适应调整，是一个不错的折中方案，可吸收两种控制方法各自的优点，取得良好的控制效果。

4.1 PID参数的调整原则

自适应模糊PID控制算法是根据控制者对PID控制器的设计经验，利用模糊控制技术，将PID控制参数的实时调整策略制定为模糊控制规则，实现PID控制器的在线参数实时调整。自适应模糊PID控制器中，PID参数的调整必须考虑到不同时刻3个参数的作用及相互的互联关系。

4.2PID控制技术运用

单纯PID控制和模糊控制都不能很好地满足地源热泵空调的控制要求。从PID控制和模糊控制各自的优点出发，将模糊控制引入到传统PID控制中，使得PID控制器的三个参数具备在线自适应模糊调整的功能，从而使地源热泵空调中针对非线性和滞后情况严重并且扰动因素多的被控对象也可以得到较好的控制效果。通过对自适应模糊PID控制器在冷冻水变流量温差控制系统中的应用仿真研究，这一设计能够很好地跟踪冷冻水供回水的目标温差，上升时间快，超调量少，没有静态误差，表现出良好的控制性能，可推广到实际工程应用中。

4.3节能控制系统优化

在进行控制系统总体设计时，一侧采用温差变流量控制，即传感器感应到的温差传给可编程逻辑控制器，经过数据处理实现一次侧水泵运行数量的控制； 而二次侧采用恒压差控制，由闭环负反馈系统中的差压变送器进行供水管路压力探测，实现对二次侧水泵运行频率和数量的控制。

5、结束语

地源热泵中央空调系统具有诸多优势，兼顾经济效益与环保效益，拥有广阔的发展空间与前景，有关部门应加强引导作用，为其推广创设有利条件，可采取相应的{政策如税收减免和财政补贴，促进地源热菜技术的提升，让其造福百姓，充分发挥其环境效益，惠及民生。

参考文献

[1] 王建伟.地源热泵技术一种节能环保的新型中央空调系统[J].城市技术，2007（2）。

[2]吴尚输。地源热泵中央空调系统在建筑中的应用与安装[J].科技与创新，2007（10）。