專利名稱：地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種地源熱泵控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，供熱與空調(diào)的能耗在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例也越來越大。在建筑節(jié)能中，供熱與空調(diào)節(jié)能的意義變得越來越重要。在普通供熱與空調(diào)系統(tǒng)中，夏季制冷、冬季供熱各自獨立運行，且能源結(jié)構(gòu)多為常規(guī)能源，制冷、供熱效率低，環(huán)境污染大。熱泵可以從低溫環(huán)境吸熱，向高溫環(huán)境放熱，通過簡單的閥門切換就可以實現(xiàn)制冷或制熱。熱泵的制冷、制熱效率高，而且對環(huán)境基本沒有污染。隨著熱泵技術(shù)的成熟與應(yīng)用的普及，在我國利用熱泵技術(shù)為中央空調(diào)提供冷熱源已成為最有前途的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。地埋管地源熱泵也稱為土壤源熱泵，它一般采用埋在土壤下50 100米深度的塑料管(內(nèi)部為水或含防凍劑的水溶液)與土壤進行熱交換，在夏季提供冷凍水，在冬季提供熱水供空調(diào)及生活熱水使用。地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水換取土壤中貯存的溫差能，沒有對自然水源的開采和污染的擔(dān)心，因此適用性更廣，安全穩(wěn)定性更高， 尤其在夏熱冬冷地區(qū)不失為一種新的節(jié)能型空調(diào)冷熱源。浙江省屬于夏熱冬冷地區(qū)，其夏季負(fù)荷比冬季負(fù)荷大約要高2 4倍。由于夏季地埋管熱泵向地下排熱時，排熱量大約為室內(nèi)制冷量的1.25倍；而冬季從土壤中吸熱時， 吸熱量大約為室內(nèi)供熱量的70%，這使浙江省應(yīng)用的地埋管地源熱泵冬夏季土壤中排熱、 吸熱量的比值達(dá)到了大約3 6倍。此外，浙江地區(qū)建筑物夏季供冷的時間要比冬季供暖的時間長約2個月，這進一步加大了地下熱量積累的不均衡。這樣，系統(tǒng)運行一年后積累的熱量會引起土壤溫度逐年上升，嚴(yán)重時會造成夏季高峰負(fù)荷期地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水溫度達(dá)40°C以上，引起熱泵機組制冷效率大幅降低甚至不能正常運行。可以說，土壤熱平衡問題已經(jīng)稱為制約地埋管地源熱泵推廣應(yīng)用的最大阻礙。目前國內(nèi)有不少文獻(xiàn)對地源熱泵熱平衡的控制策略問題進行了研究，主要存在的問題有1、沒有提出完整的系統(tǒng)性的控制理論及控制系統(tǒng)；2、沒有提出地下吸排熱量的累計分析，這樣就不能真正掌握地下熱平衡的控制效果；3、不能夠分析對比垂直地埋管及輔助換熱設(shè)備的冷卻效果；4、不能自動適應(yīng)控制不同的冬夏吸排熱量情況。本實用新型提出的地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置填補了這一空白。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有地源熱泵控制系統(tǒng)的運行效率較低、熱平衡控制效果差的不足，本實用新型提供一種提高運行效率、提升熱平衡控制效果的地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置，室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備的水管出口連接地源熱泵室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵，所述地源熱泵室內(nèi)循環(huán)泵出口連接地源熱泵機組的室內(nèi)進口，所述地源熱泵機組的室內(nèi)出口連接室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備，所述地源熱泵機組的室內(nèi)進口連接地源熱泵室外側(cè)循環(huán)泵，地源熱泵機組的室外出口連接地埋管和輔助換熱設(shè)備，所述地埋管和輔助換熱設(shè)備為并聯(lián)連接，地埋管和輔助換熱設(shè)備的出口均與地源熱泵機組的室外進口連通， 所述地埋管設(shè)有地埋管環(huán)路切換閥，所述輔助換熱設(shè)備設(shè)有換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，所述控制系統(tǒng)還包括室外濕球溫度傳感器、地埋管進、出水溫度傳感器、地埋管水管流量計和用以基于熱量平衡控制地埋管環(huán)路切換閥和換熱設(shè)備環(huán)路切換閥動作的熱平衡自適應(yīng)控制器， 所述室外濕球溫度傳感器、地埋管進、出水溫度傳感器和地埋管水管流量計均與所述熱平衡自適應(yīng)控制器的輸入端連接，所述熱平衡自適應(yīng)控制器的輸出端同時與所述換熱設(shè)備環(huán)路切換閥和地埋管環(huán)路切換閥連接。所述熱平衡自適應(yīng)控制器包括初始化模塊，用以預(yù)設(shè)土壤冬季吸熱量值為效率優(yōu)先模式的切換策略，當(dāng)夏季開始運行時，打開地埋管環(huán)路切換閥，關(guān)斷換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，地埋管運行，依照效率優(yōu)先模式運行當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟萾h高于室外濕球溫度tb+5°C 時，關(guān)斷地埋管環(huán)路切換閥和打開換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，控制所述輔助換熱設(shè)備運行設(shè)定時間段，再循環(huán)切換到地埋管運行；依照地埋管進出水溫度傳感器、地埋管水管流量計累計夏季土壤排熱量，當(dāng)所述夏季土壤排熱量達(dá)到預(yù)設(shè)土壤吸熱量值時，控制關(guān)斷地埋管環(huán)路切換閥和打開換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，當(dāng)冬季運行時，打開地埋管環(huán)路切換閥，關(guān)斷換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，依照地埋管進出水溫度傳感器、地埋管水管流量計累計冬季土壤吸熱量；熱平衡自適應(yīng)控制模塊，用以根據(jù)上年度的夏季土壤排熱量和冬季土壤吸熱量， 如果上一年度夏季土壤排熱量Qd大于冬季土壤吸熱量Qx，則換熱量差A(yù)Q = Qd-Qx,第二年夏季運行的效率優(yōu)先模式的切換閾值為夏季運行累計熱量達(dá)到Qd-Δ QX 2 ；如果上一年度夏季土壤排熱量Qd小于冬季土壤吸熱量Qx，則第二年夏季運行時切換溫度自動上調(diào) 1°C。進一步，所述初始化模塊中，效率優(yōu)先模式運行時，當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟?lt; 32°C時， 所述輔助換熱設(shè)備運行設(shè)定時間段為1天；當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟却蟠笥?2°C時，輔助換熱設(shè)備運行設(shè)定時間段按以下公式進行Tcooler = b(tout-32)+l式中，Tcooler為連續(xù)運行時間段，天；b為每度溫差調(diào)節(jié)的運行天數(shù)，取值范圍為 0. 1 3，天/°C ；tout為土壤出水溫度。再進一步，所述地埋管連接地埋管進水溫度傳感器，所述輔助換熱設(shè)備連接輔助換熱設(shè)備出水管水溫傳感器。本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為它能夠自動選擇地埋管與輔助換熱設(shè)備的切換時機及時間，使夏季土壤排熱量與冬季供熱時土壤吸熱量大致相等，達(dá)到冬夏熱平衡的狀態(tài)。該系統(tǒng)可有效解決地源熱泵長期運行時土壤的溫度發(fā)生過大變化的問題，提高地源熱泵的運行效率，改善地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行效果，具有較大的節(jié)能潛力、實用性和推廣性。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在可有效解決地源熱泵長期運行時土壤的溫度發(fā)生過大變化的問題，提高地源熱泵的運行效率；系統(tǒng)包括控制部分和執(zhí)行器部分，控制邏輯嚴(yán)密、內(nèi)容完整；提出了地源熱泵熱平衡自動控制策略的兩個基本運行模式效率優(yōu)先模式和熱平衡補償模式；能夠自動分析并確定熱平衡兩個運行模式的切換時機，避免了人工操作的不準(zhǔn)確性。本實用新型適用于全年地下排熱量大于吸熱量的夏熱冬冷低區(qū)。
圖1是地源熱泵熱平衡自適應(yīng)控制系統(tǒng)流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖1，一種地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置，室內(nèi)側(cè)環(huán)路室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備 9的水管出口連接地源熱泵室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵10，循環(huán)泵10出口連接地源熱泵機組11，地源熱泵機組11的出口連接室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備9。室外側(cè)環(huán)路地源熱泵機組11進口連接地源熱泵室外側(cè)循環(huán)泵12，機組11出口連接地埋管13和輔助換熱設(shè)備14 (地埋管13和輔助換熱設(shè)備14為并聯(lián)連接)，地埋管13和輔助換熱設(shè)備14的出口連接地源熱泵機組11。熱平衡自適應(yīng)控制器1的輸入端接入室外濕球溫度傳感器2、地埋管進水溫度傳感器3、地埋管出水溫度傳感器4、地埋管水管流量計5和輔助換熱器出水管水溫傳感器6 ； 輸出端連接換熱設(shè)備環(huán)路切換閥7和地埋管環(huán)路切換閥8?？刂葡到y(tǒng)的基本工作過程為在夏季空調(diào)或冬季供暖啟動時期，地源熱泵系統(tǒng)首先通過地埋管進行吸熱或排熱，這時輔助換熱設(shè)備關(guān)閉?？刂破鞲鶕?jù)效率優(yōu)先原則進行智能分析，選擇時機開啟冷卻塔等輔助散熱設(shè)備轉(zhuǎn)移排入地下的熱量，并累計分析夏季排熱量與冬季吸熱量相對大小，使進入土壤的冬夏吸排熱量達(dá)到平衡狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)具有以下主要功能及控制策略系統(tǒng)總開關(guān)功能。能夠控制地源熱泵系統(tǒng)各個設(shè)備(包括地源熱泵、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機等)的啟動和停止。日歷及負(fù)荷累計功能。具備日歷、計時功能。具備地埋管排熱量和吸熱量的累計功能。地區(qū)選項。分夏季排熱量大于冬季吸熱量和夏季排熱量小于冬季吸熱量兩類地區(qū)。前者一般是夏熱冬冷地區(qū)。后者為夏熱冬冷地區(qū)以北至寒冷地區(qū)。預(yù)設(shè)功能(是第一年系統(tǒng)切換的依據(jù)，第二年預(yù)設(shè)功能不起作用)(1)建筑類型選項建筑類型主要用于預(yù)設(shè)每天及每周的運行時間，以便系統(tǒng)估算全年累計的空調(diào)負(fù)荷。建筑類型分為辦公類酒店類住宅類商場類、車站類等5類。(2)運行時段選項系統(tǒng)默認(rèn)辦公樓和賓館夏季運行時間為5月1日 9月30日，冬季運行時間為12 月15日 2月25日。住宅夏季運行時間為5月15日 9月15日，冬季運行時間為12月 25日 2月25日。(3)預(yù)設(shè)建筑物的冬夏空調(diào)設(shè)計負(fù)荷。(4)輔助散熱運行模式整體切換模式室外側(cè)換熱全部切換到輔助換熱設(shè)備。輔助散熱設(shè)備切換策略效率優(yōu)先模式，采用冷卻塔輔助散熱的系統(tǒng)，可根據(jù)室外濕球溫度tb和地埋管出水溫度th來判斷切換時機。冷卻塔額定工況的冷卻水溫大約為為 tb+4°C，當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟萾h高于tb+a°C時，其中，a的取值范圍為3 7°C，可以認(rèn)為此時采用冷卻塔冷卻比地埋管冷卻的水溫更低，系統(tǒng)效率更高。我們將tb+a°C稱為切換溫度。 故當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟萾h ( 32°C時，效率優(yōu)先模式采用等溫差切換策略，即當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟萾h高于tb+5°C時切換到冷卻塔運行。由于冷卻水溫低到一定程度將逐漸失去對于機組效率的提高，同時為保證夏季地埋管一定的運行時間以避免產(chǎn)生負(fù)偏差，控制系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)?shù)芈窆艹鏊哂?5°C時才允許切換到冷卻塔運行。冷卻塔連續(xù)運行Mh以后自動切換到地埋管運行。地埋管的切換必須在連續(xù)運行Mh以后。這樣系統(tǒng)就自動把效率優(yōu)先模式的運行時間限制在50%以下。當(dāng)土壤出水溫度上升超過32°C以上時，冷卻塔等溫差切換策略改為遞進溫差切換策略，連續(xù)運行時間按以下公式進行Tcooler = b(tout-32)+l式中T。。。lCT為冷卻塔連續(xù)運行時間，天；b為每度溫差調(diào)節(jié)的運行天數(shù)，取值范圍為0. 1 3，天/°C ；tout為土壤出水溫度。遞進溫差切換切換策略使土壤出水溫度每上升 1°C，冷卻塔的運行時間就增加0. 5天。(1)第一年切換策略夏季開始運行后，系統(tǒng)首先根據(jù)效率優(yōu)先的模式不定期切換到輔助散熱設(shè)備，同時累計夏季向土壤中的排熱量。當(dāng)達(dá)到土壤排熱量與預(yù)計的土壤冬季吸熱量相等時(如果因效率優(yōu)先模式導(dǎo)致夏季排熱負(fù)荷還不如冬季吸熱負(fù)荷，則夏季不會出現(xiàn)補償運行)，全部切換到冷卻塔運行，這時為補償運行模式，效率優(yōu)先模式失效，一直到夏季工作結(jié)束。對于夏熱冬冷地區(qū)類型，冬季運行無補償。(2)第二年以后切換策略如果經(jīng)歷了冬季、夏季兩個季節(jié)，則進入第二年以后切換策略。根據(jù)上一次夏季和冬季累計的負(fù)荷(超過兩年則計算平均值)作為熱平衡比較的依據(jù)。如果誤差小于10%則不進行切換策略修正。對于夏熱冬冷地區(qū)類型，有1)如果上一年度夏季排熱量Qd大于冬季吸熱量Qx，則換熱量差A(yù)Q = Qd-Qx0 計算不平衡率Ρ = Δ9ΑΜ，夏季的補償運行模式切換時機為夏季運行累計熱量達(dá)到 Qd-AQX2。經(jīng)過第二年的反向補償運行，第三年就可以實現(xiàn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)。2)如果因效率優(yōu)先模式導(dǎo)致夏季土壤排熱負(fù)荷低于冬季吸熱負(fù)荷，則第二年夏季運行時切換溫度自動上調(diào)i°c。本實施例中，當(dāng)?shù)叵屡艧崃看笥谖鼰崃繒r，在夏季空調(diào)時期，地源熱泵系統(tǒng)首先通過地埋管向土壤中排熱，這時地埋管環(huán)路切換閥8開啟，換熱設(shè)備環(huán)路切換閥7關(guān)閉?？刂破?根據(jù)傳感器2測量室外空氣濕球溫度來測算輔助換熱設(shè)備14的模擬出水溫度，并與傳感器3測量的地埋管出水溫度進行比較，依據(jù)效率優(yōu)先原則進行智能分析，選擇時機開啟換熱設(shè)備環(huán)路切換閥7，并關(guān)閉地埋管環(huán)路切換閥8 (對于輔助散熱運行模式為室外側(cè)換熱地埋管與輔助換熱設(shè)備聯(lián)合運行的部分切換模式，切換閥8不關(guān)閉)，將排入土壤中的全部或部分熱量通過輔助換熱設(shè)備排除?？刂破魍瑫r根據(jù)傳感器4測量地埋管進水管溫度，流量計5測量地埋管水管循環(huán)流量，運算并累計通過地埋管13排入地下的熱量，以保證冬夏地下熱平衡為目標(biāo)，自動切換到選擇補償運行模式(即全部通過輔助換熱設(shè)備排熱)的時機。在冬季供暖時期，地源熱泵地源熱泵系統(tǒng)通過地埋管從土壤中吸熱，這時地埋管環(huán)路切換閥8開啟，輔助換熱設(shè)備環(huán)路切換閥7關(guān)閉?？刂破魍瑫r根據(jù)傳感器3、4測量地埋管進、出水管溫度，流量計5測量地埋管水管循環(huán)流量，運算并累計通過地埋管13排入地下的熱量，作為夏季運行時保持地下熱平衡的依據(jù)。按照常規(guī)設(shè)計的地埋管地源熱泵夏季最高出水溫度應(yīng)為35°C，實際工程水溫達(dá)到 40°C的也時有發(fā)生。在夏季額定室外氣溫35°C條件下，采用熱平衡控制裝置后理論上可以保證夏季地源熱泵系統(tǒng)的效率與水冷式系統(tǒng)相近，制冷COP可以達(dá)到3. 5 4.0以上。冬季室外氣溫4°C條件下，地源熱泵在不受熱平衡偏差影響的情況下，制熱COP可以達(dá)到3. 5 以上。經(jīng)對多個國內(nèi)合資及獨資企業(yè)生產(chǎn)的空氣源熱泵性能統(tǒng)計對比，對應(yīng)工況下制冷 COP平均為2. 7，制熱COP平均為2. 2。據(jù)此可以推算，夏季地源熱泵制冷效率比空氣源熱泵至少高 (3. 5-2. 7)/2. 7X100 % =沈％。冬季地源熱泵制熱效率比空氣源熱泵高 (3. 5-2. 2) /2. 2 X 100 % = 59. 1 %。
權(quán)利要求1.一種地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置，室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備的水管出口連接地源熱泵室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵，所述地源熱泵室內(nèi)循環(huán)泵出口連接地源熱泵機組的室內(nèi)進口，所述地源熱泵機組的室內(nèi)出口連接室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備，所述地源熱泵機組的室內(nèi)進口連接地源熱泵室外側(cè)循環(huán)泵，地源熱泵機組的室外出口連接地埋管和輔助換熱設(shè)備，所述地埋管和輔助換熱設(shè)備為并聯(lián)連接，地埋管和輔助換熱設(shè)備的出口均與地源熱泵機組的室外進口連通，所述地埋管設(shè)有地埋管環(huán)路切換閥，所述輔助換熱設(shè)備設(shè)有換熱設(shè)備環(huán)路切換閥，其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括室外濕球溫度傳感器、地埋管進、出水溫度傳感器、地埋管水管流量計和用以基于熱量平衡控制地埋管環(huán)路切換閥和換熱設(shè)備環(huán)路切換閥動作的熱平衡自適應(yīng)控制器，所述室外濕球溫度傳感器、地埋管進、出水溫度傳感器和地埋管水管流量計均與所述熱平衡自適應(yīng)控制器的輸入端連接，所述熱平衡自適應(yīng)控制器的輸出端同時與所述換熱設(shè)備環(huán)路切換閥和地埋管環(huán)路切換閥連接。
2.如權(quán)利要求1所述的地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置，其特征在于所述地埋管連接地埋管進、出水溫度傳感器和地埋管水管流量計，所述輔助換熱設(shè)備連接輔助換熱設(shè)備出水管水溫傳感器。
專利摘要一種地源熱泵自適應(yīng)熱平衡控制裝置，室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備的水管出口連接地源熱泵室內(nèi)側(cè)循環(huán)泵，地源熱泵室內(nèi)循環(huán)泵出口連接地源熱泵機組的室內(nèi)進口，地源熱泵機組的室內(nèi)出口連接室內(nèi)供熱空調(diào)設(shè)備，地源熱泵機組的室內(nèi)進口連接地源熱泵室外側(cè)循環(huán)泵，地源熱泵機組的室外出口連接地埋管和輔助換熱設(shè)備，地埋管和輔助換熱設(shè)備為并聯(lián)連接，地埋管和輔助換熱設(shè)備的出口均與地源熱泵機組的室外進口連通，控制系統(tǒng)還包括室外濕球溫度傳感器、地埋管進出水溫度傳感器、地埋管水管流量計和用以基于熱量平衡控制地埋管環(huán)路切換閥和換熱設(shè)備環(huán)路切換閥動作的熱平衡自適應(yīng)控制器。本實用新型可提高地源熱泵系統(tǒng)運行效率、提升熱平衡控制效果。
文檔編號F25B49/00GK202074761SQ20112008719
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者張玲, 黃奕沄 申請人:浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院