地源热泵系统冬季运行测试及控制策略研究

李　立，徐昕远，任　明，李　敬，李　明

(1.湖南工程学院 电气信息学院, 湘潭411101; 2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心,湘潭411101；3.广州供电局，广州 510620 ；4. 湖南凌天科技有限公司，湘潭 411100)



地源热泵系统冬季运行测试及控制策略研究

李立1，2，徐昕远3，任明1，李敬1，李明4

(1.湖南工程学院 电气信息学院, 湘潭411101; 2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心,湘潭411101；3.广州供电局，广州 510620 ；4. 湖南凌天科技有限公司，湘潭 411100)

介绍了地源热泵系统冬季运行工况的能效测试，并对测试结果进行了分析，为进一步对冷热不平衡地区的热泵节能运行奠定了研究基础.提出了温差控制策略，以AT89C51为核心,设计了PID调节的硬件系统，且对热泵系统进行了实验验证.与以往的控制策略相比，该方法具有更加节能、稳定的效果，是实现地源热泵系统节能控制的一种有效方法.

地源热泵；能效测试；温差控制；PID；节能

0　引　言

地热能具有常年温度稳定的特点，可以作为热泵循环的理想热源形式.地源热泵技术利用清洁可再生的自然能源，实现供暖和供冷，是一项有推广价值的建筑供能节能技术.在我国，建筑能耗已经达到国家总能耗的近30%，其中，空调能耗占建筑耗能的40%以上.对于远离集中热网的中小型建筑，采用地埋管地源热泵系统供暖是一种较好的供暖方案.近年来，对热泵技术的应用研究也越来越得到关注.不少学者和工程技术人员在地埋管设计问题和地源热泵系统运行性能等方面进行了深入的研究.如：文献[1]介绍了土壤及回填料热物性、埋管结构设计对地埋管性能的影响，分析了不同土壤热物性下地埋管的换热效果；文献[2]通过调节热泵机组的制冷量，进行了地源热泵负荷耦合与节能研究；文献[3]通过应用DeST软件模拟出某建筑全年逐时冷热负荷，并针对地源热泵系统中出现的排热量和取热量的不均衡，提出地下热堆积问题的解决方案；文献[4]介绍了基于动态系统仿真软件TRNSYS开发的埋管设计对地源热泵系统性能影响的研究；凌天科技公司采用冷却塔辅助排热的复合地源热泵系统的构建、土壤源热泵工程在地温异常情况下的工程解决方案[5]，以及基于测试平台搭建热泵机组的性能测试研究[6]等研究都为热泵系统的推广应用提供了经验.然而，这些研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行可行性分析和依赖于埋地换热器传热模型的建立，得出的土壤源热泵节能的一般性结论.基于正在运行的中小型热泵工程项目的现场测试不多，而且所能提供的数据较少，目前尚缺乏埋管设计参数的深入定量研究和能效分析，对如何控制地埋管地源热泵系统，使其长期可靠运行和高效节能成为了一项重要的课题.

1　地源热泵系统冬季运行测试

地源热泵空调系统是以土壤为冷、 热源，通过地埋管在土壤中布置成密闭管线，再通过管线内介质(水)与土壤进行热交换的.仅消耗少量电能，便可实现冬季从土壤中取热，以供房间热量，同时蓄存冷量以备夏季制冷用，夏季反之.

1.1地源热泵测试系统

地源热泵能效测试目的是为了获得地源热泵正常运行的工作数据，来评估热泵系统的节能性能指标，也为将来对在不同环境温度下，如何结合风冷运行的复合地温热泵系统的节能研究奠定基础.测试地点，选择位于湘潭市雨湖区先锋工业园湖南凌天科技有限公司办公楼热泵机房，对正在运行的地源热泵系统进行现场测试.U型管地源热泵系统原理如图1所示.

热平衡一直是保证地源热泵系统稳定运行的关键问题.在我国南方地区，建筑的夏季冷负荷远大于冬季的热负荷，热泵系统长期运行后，排入地下的热量大于从地下吸取的热量， 因而导致热量在地下的积累，使得地下土壤层的温度逐渐升高，不少地埋管换热系统在使用多年后就出现了运行状况不良的情况.图1中解决土壤热平衡的方法采取增加辅助冷却塔方法，在夏季联合使用地源和冷却塔换热.利用冷却塔承担夏季超额的向地下层排出的热量，冬季系统运行时，关闭冷却塔仅使用地埋管换热.

图1　U型地埋管地源热泵系统原理图

1.2测试条件

地温热泵系统冬季工况下的日常能效实验研究，选择在室外温度约为-2 ～10 ℃的最冷天气，约每隔30min测试一次，连续测试1周.测试参数有：热泵机组(含水泵)的总平均功率N1、用户侧回水温度A1、用户侧供水温度A2、地源侧回水温度A3、地源侧出水温度A4.

运行热泵机组为LTDW/Y-650.空调工况下制冷量为 63.8.6kW，制冷输入功率为 17.12kW，制冷输入电流29.4A;制热量为 70.58kW，制热输入功率是 18.82kW，制热输入电流32A；蒸发器流量为 14m3/h，冷凝器流量为 11m3/h.

考虑到保持土壤的热平衡，地埋管的数量按照冬季设计负荷来计算，夏季制冷工况下多余的热量由冷却塔来承担.由于夏季冷却水侧是按定流量来设计的，所以在冬季的水源热泵冷凝水流量设为定流量进行测量，冷凝器流量为 11m3/h.

1.3测试结果及分析

本文选择地源热泵系统某白天的测试数据进行分析，测试数据如表1所示.

表1　地源热泵系统某白天的测试数据

地源热泵工作温度采集数据如图2所示.图中绘出了用户侧供、回水温度，地源侧出水、回水温度的变化曲线.

对表1的数据的处理方法为：

(1)总平均功率N1包含2台机组的机组耗能和水泵耗能，测量设计时考虑到电流大，采用了变比为200∶5的电流互感器，故计算时2台机组的总耗能N应该考虑为:N=N1*200/5；

图2　地源热泵工作温度的采集数据(2014.12.22日，23日)

(2)由于表1中总平均功率N1为机房2台热泵机组总和，而计算的制热量Q1为1台热泵机组的制热量，故总制热量Q应按照2台机组的计算，即：Q=Q1*2.这样有：

制热能耗比:

(1)

依据循环水流量的计算公式易得到制热量Q1的计算式为[6 ]：

(2)

式中：q为流量，单位m3/h；Δt为供水与回水温度差，单位为℃；制热量Q1的单位为kW.

由表1数据可以计算得出：总平均功率N=0.575*200/5=23kW, 用户侧平均回水温度A1=38.5 ℃，用户侧平均供水温度A2=41.3 ℃，供水与回水温差Δt=2.8 ℃.按照公式2计算得出： Q=71.63kW，制热能耗比由公式1计算得出：COPSH=3.114.能耗比3.114达到了《可再生能源建筑应用工程评价标准》，冬季系统的能耗比不小于2.6的要求.

2　地源热泵系统控制策略研究

2.1控制方法选择与设计

目前,在热泵系统的自动控制中 ,通常以蒸发压力和冷凝压力作为被控对象.采用PID或者模糊PID控制策略，通过变频控制循环水泵流量来控制热泵系统的稳定、节能运行.为降低传感器成本,出现了采用冷凝器和蒸发器的温度来反映系统的冷凝、蒸发压力的研究.对于混合式地源热泵系统采用控制地埋管出水温度、配合控制冷却塔运行时间等控制方法都有介绍.但由于需配置较大的冷却塔成本高，这些方法在夏季冷负荷受外环境温度影响不大的场合可控制性不理想；以及由于外界温度的变化大，使用压差控制时会导致热泵机组的启动和停止较频繁等问题，不符合节能的主旨.本文提出了依照用户侧供水、回水的温度差变流量控制方案，能更加直接高效地控制建筑物内的温度.

本文针对温差控制方案，首先以AT89C51为核心, 温度采集选用pt100热电阻温度传感器，模数转换选用pcf8591ADC转换芯片构成硬件系统，硬件框图如图3所示.

图3　温差控制系统硬件框图

2.2控制系统调试

在完成温差控制系统硬件调试和软件调试后，在凌天科技有限公司热泵机房进行了温度采集输出实验和温度电压检测实验的实验验证.

图4为温差与输出电压线性度的测试.试验在常温15 ℃条件下运行，另设一个可变的温度源，输出显示采用LCD1602芯片.图5可以看出，实际输出的温差(上直线)与理论温差(下直线)有2 ℃左右的误差，但线性度好.后采取2 ℃温差修正可以达到预定精确值，误差小于±0.3 ℃.将控制板应用到企业的热泵系统，与变频器联调，得到了满意的控制效果.

图4　温差与输出电压线性度的测试

3　结　论

地源热泵技术利用清洁可再生的自然能源，实现供暖和供冷，是一项有推广价值的建筑供能节能技术.本文介绍的冬季运行工况下地源热泵系统的能效测试，是对正在运行的地源热泵系统的实际测试，测试结果的分析为热泵系统的节能运行提供了依据.也为后阶段针对冷热不平衡的南方地区，在不同的温度段采用地埋管热泵和风冷热泵的复合节能控制，提供了可行的实验方法和有效数据.提出的基于温差控制策略，克服了压差控制过程热泵机组启停比较频繁等问题.具有更加节能、稳定的效果，为以后的地源热泵系统的节能控制提供了一种可以借鉴的方法.

[1]梁意艺,刘向龙.土壤源地源热泵地埋管传热与机组性能的实验研究[J].制冷与空调,2012,26(5):500-503.

[2]向文呈，彭伟刚，乐玲，等.地源热泵负荷耦合与节能[J].制冷与空调，2010,24(1)：89-92.

[3]石文，刘秋新.地源热泵系统中地下热堆积问题的解决方案[J].建筑节能，2009,37(233)：54-55.

[4]纪文杰，游 田.埋管设计对寒冷地区地埋管地源热泵系统性能的影响[J].暖通空调，2015,45(3)：113-118.

[5]刘大千，李孔清，林汉柱，等. 土壤源热泵工程在地温异常情况下的解决方案[J]. 建筑热能通风空 调，2010,29(6)：71-74.

[6]杨如辉,邹声华,林汉柱,等.水源热泵热水机的性能测试研究[J]. 建筑热能通风空调,2011,30(4):11-13.

RunningTestofGroundSourceHeatPumpSystemandControlStrategyResearch

LILi1,2,XUXin-yuan3,RENMing1,LIJing1,LIMing4

(1.CollegeofElectrandInformationEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China;2.HunanProvinceCooperativeInnovationCenterforWindPowerEquipmentandEnergyConversion,Xiangtan411101,China;3.GuangzhouPowerSupply，Guangzhou510620,China;4.HunanLingtianScienceandTechnologyCo.Ltd.,Xiangtan411201,China)

Thepaperintroducestheenergyefficiencytestofgroundsourceheatpumpsysteminwinteroperatingcondition.Thenthetestresultisanalyzed,whichfurtherlaystheresearchfoundationforheatpumpenergysavingoperationinhotandcoldregions.Thetemperaturedifferencecontrolstrategyisputforward.TakingAT89C51asthecore,thehardwaresystemofPIDregulationisdesigned,andtheexperimentalverificationiscarriedoutbytheheatpumpsystem.Comparedwiththepreviouscontrolstrategy,savesmoreenergyandhasastableeffects,whichprovidesaneffectivemethodfortheenergysavingcontrolofthegeothermalheatpumpsystem.

geothermalheatpump;energyefficiencytest;temperaturedifferencecontrol;PID;energysaving

2015-09-18

湖南省科技计划资助项目(2014GK3126)；湖南省自然科学基金资助项目( 14JJ6040).

李立(1961-), 女，硕士，教授，研究方向：测控技术与电子技术应用.

TK79

A

1671-119X(2016)01-0006-04