1.引言

　　進(jìn)入21世紀(jì)，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(yán)重環(huán)境污染問題，使人們探索諸如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、氫能、核能等新能源的熱情不斷增加，地?zé)崮茏鳛橐环N具有廣闊開發(fā)前景的新能源也日益受到關(guān)注。我國是一個(gè)人口眾多、資源相對貧瘠的大國，地?zé)豳Y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(jì)效益。

　　北京的地?zé)崽飳儆诘蜏責(zé)醿?chǔ)，地?zé)崴臏囟仍?5～90℃之間，地?zé)崴泻写罅康臒崮?，通過地?zé)釤岜孟到y(tǒng)將地?zé)嵊糜诠┡哂羞\(yùn)行成本低、無污染的優(yōu)勢，并且符合綠色奧運(yùn)的理念。目前北京市政府已把推廣地?zé)岵膳袨橹卫硎锥汲鞘形廴镜拇胧┲弧?p style="line-height: 3em;">

　　地?zé)豳Y源要科學(xué)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?zé)幔瓱岜霉┡钥叵到y(tǒng)進(jìn)行分析，提出波動(dòng)調(diào)節(jié)及預(yù)估控制，最大限度充分梯級利用地?zé)豳Y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(yùn)試點(diǎn)工程。小區(qū)共有五口1000米深地?zé)峋?，其中兩口抽水井，兩口回灌井以及一口備用井。出水溫?8℃，供水量為150噸小時(shí)。總供熱量為25000KW，其中地?zé)峁崮芰?012KW，地?zé)幔瓱岜霉崮芰?988KW，其余由小區(qū)輔助熱源燃?xì)忮仩t提供。采用熱泵技術(shù)將地?zé)崴菁壚玫?8℃，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(hù)地?zé)豳Y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?zé)嵋约拜o助熱源，高區(qū)地板輻射供暖來自于二級地?zé)嵋约拜o助熱源，低區(qū)地板輻射供暖來自于一級二級地?zé)嵛菜?、熱泵提升以及輔助熱源。

　　3.地?zé)釤岜霉嵯到y(tǒng)的控制方案

　　3.1控制的基本原則

　　由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、合理、節(jié)能的運(yùn)行，控制方案必須遵循如下原則：

　　3.1.1最大限度的利用地?zé)豳Y源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。

　　在最大負(fù)荷變小時(shí)，優(yōu)先減少輔助加熱量。

　　在負(fù)荷有很大減少后，逐級關(guān)停熱泵機(jī)組和地?zé)峋?p style="line-height: 3em;">

　　在負(fù)荷較小時(shí)，關(guān)停了熱泵機(jī)組后，地?zé)峋荒軡M足供熱負(fù)荷需求時(shí)，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(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)，供暖溫度再設(shè)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(yù)測控制及最小二乘優(yōu)化算法，考慮氣象預(yù)報(bào)、電價(jià)計(jì)費(fèi)等因素，使得舒適度、運(yùn)行成本兩方面都達(dá)到最優(yōu)化。

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

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

　　3.1.8地?zé)峋偷乜刂?，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。

　　3.2供熱負(fù)荷調(diào)節(jié)與控制

　　根據(jù)各供暖區(qū)不同時(shí)間的熱負(fù)荷，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際的供暖量，與設(shè)定值進(jìn)行比較，確定不同的調(diào)節(jié)方案。

　　負(fù)荷計(jì)算公式：

　　式中：Q熱負(fù)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(fù)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?zé)峋鍝QB11和輔助加熱板換Bh2直接負(fù)責(zé)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(jì)算出實(shí)際的熱負(fù)荷。當(dāng)?shù)蛥^(qū)散熱器采暖熱負(fù)荷百分比在100～35%范圍內(nèi)變化時(shí)，優(yōu)先減小輔助加熱量。當(dāng)負(fù)荷百分比在35%～0%范圍內(nèi)變化時(shí)，關(guān)閉輔助加熱板換Bh2，由地?zé)峋鍝QB11負(fù)責(zé)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(jī)組提升低區(qū)散熱器和高區(qū)地板輻射采暖系統(tǒng)的地?zé)嵛菜M(jìn)行供熱，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源梯級利用。負(fù)荷百分比在不同的階段分別投入不同的機(jī)組和熱交換組合。當(dāng)負(fù)荷百分比在100%～42.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺熱泵HP滿負(fù)荷運(yùn)行，地?zé)岚鍝QB2、B3、B4與高溫輔助熱源板換Bh3一起負(fù)責(zé)供暖調(diào)節(jié)，在此范圍內(nèi)負(fù)荷減少優(yōu)先減小Bh3.當(dāng)負(fù)荷百分比在43%～30%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺熱泵根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，關(guān)閉輔助加熱量Bh3.當(dāng)負(fù)荷百分比在30%～15%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟2口地?zé)峋?臺熱泵全停，由地?zé)岚鍝QB2、B3、B4自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。當(dāng)負(fù)荷百分比在15%～0%范圍內(nèi)變化時(shí)，開啟1口地?zé)峋?臺熱泵全停，由地?zé)岚鍝QB2、B3、B4自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。

　　在負(fù)荷變化百分比的4個(gè)不同區(qū)域內(nèi)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)方式為：當(dāng)負(fù)荷需求為最大時(shí)，熱泵機(jī)組、地?zé)峋c輔助加熱一起負(fù)責(zé)供熱，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)優(yōu)先調(diào)節(jié)輔助加熱，輔助加熱調(diào)至全關(guān)后，負(fù)荷再變化依靠由熱泵機(jī)組自身的調(diào)節(jié)功能（增減機(jī)頭）來實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)負(fù)荷減少量大到需要停止1套熱泵機(jī)組時(shí)，關(guān)閉1熱泵機(jī)組及附泵，并適當(dāng)調(diào)小地?zé)峋疂撍米冾l器值，以保證地?zé)崴┧繚M足要求。

　　當(dāng)室外溫度較高，或者其他系統(tǒng)負(fù)荷降低，經(jīng)過一級二級換熱后的地?zé)崴疁囟容^高，不需要熱泵進(jìn)行提升就能滿足低區(qū)地板采暖的要求，這時(shí)應(yīng)關(guān)閉熱泵兩側(cè)閥門，打開旁通閥直接進(jìn)行熱交換。如圖3.2.2所示，關(guān)閉HP2V3、HP2V4閥及熱泵一次側(cè)循環(huán)泵，打開HP2V1、HP2V2閥，達(dá)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(fù)荷需求期，改變供熱循環(huán)水量以適應(yīng)負(fù)荷的變化，同時(shí)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(fù)荷需求較小的供暖時(shí)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(shè)定為保證供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的流量值，這樣可以保證在整個(gè)供暖周期內(nèi)系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)行。

　　在地板輻射采暖系統(tǒng)中，末端都預(yù)留了溫控閥，當(dāng)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(shè)定值的差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)變頻器的值，在保證每一個(gè)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(yùn)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(shí)間、負(fù)荷參數(shù)的變化，進(jìn)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(dòng)蝶閥的控制

　　為了在負(fù)荷降低時(shí)讓上一級多余的地?zé)崴苯恿魅胂乱患?，在地?zé)岚鍝Q的一次側(cè)都設(shè)有旁通閥，見圖3.2.1.在設(shè)計(jì)的初衷由三通閥來實(shí)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(gè)兩通的蝶閥配合使用來實(shí)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(shè)定溫度的偏差PID調(diào)節(jié)一次側(cè)水閥B11V1的開度，同時(shí)應(yīng)同步反方向調(diào)節(jié)B11V2的開度，以保證地?zé)崴偭髁康姆€(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L60%的范圍內(nèi)接近等百分比特性，在L60％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(yīng)根據(jù)B11V1的開度推算進(jìn)入板換的流量，再計(jì)算出旁通B11V2應(yīng)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(yù)測控制

　　圖3.6北京某小區(qū)日平均熱負(fù)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(fù)荷與室外日平均溫度對應(yīng)關(guān)系如圖3.6所示。計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測室外溫度后，疊加進(jìn)相應(yīng)的供熱調(diào)節(jié)回路中，根據(jù)室外溫度變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷。

　　為了進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，可以引入預(yù)測機(jī)制。首先根據(jù)天氣預(yù)報(bào)資料預(yù)測未來24小時(shí)系統(tǒng)所需熱負(fù)荷，利用該數(shù)值對系統(tǒng)未來24小時(shí)的運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)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(jià)時(shí)段、停電時(shí)段、設(shè)備運(yùn)行效率等因素，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，調(diào)整溫度設(shè)定值，盡量在低谷電價(jià)時(shí)段輸出熱量。優(yōu)化計(jì)算時(shí)，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(yù)測值；另一種是在設(shè)備高效運(yùn)行前提下，利用預(yù)測的室外溫度瞬態(tài)值和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)熱特性數(shù)學(xué)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?zé)崴畠H用于生活洗浴，打開相應(yīng)閥門，地?zé)嵩芍苯油ㄟ^增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)備，然后進(jìn)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(shè)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(fù)荷的需求分階段不同，因此生活用水可以實(shí)施不同的方案。嚴(yán)寒階段供熱需求大，為盡可能滿足供暖的需求，此時(shí)地?zé)嵩M可能用于供暖，若地?zé)嵛菜疁囟容^低，說明供暖系統(tǒng)實(shí)際需求較大，地?zé)嵩荒茉龠^多的承擔(dān)生活用水，此時(shí)生活用水采用一部分地?zé)嵛菜?jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)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(jìn)入生活熱水箱。

　　一般寒冷階段供熱需求相對嚴(yán)寒階段較少，地?zé)嵛菜疁囟雀哂谠O(shè)定值，除滿足供暖的需求外，還可部分滿足生活用水，此時(shí)盡可能多的利用地?zé)嵩峁┥钣盟Ｉ钣盟徊糠植捎玫責(zé)嵩?，一部分采用地?zé)嵛菜旌虾蠼?jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設(shè)備，再經(jīng)輔助加熱板換控制到設(shè)定溫度后，進(jìn)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(dāng)有短時(shí)寒流襲來時(shí)，如生活用水溫度達(dá)不到要求時(shí)，可啟用高溫輔助板換進(jìn)行補(bǔ)充，使生活用水溫度保持在65℃左右。

　　若經(jīng)過梯級利用后地?zé)崴奈菜疁囟热源笥诤侠砼欧诺臏囟葧r(shí)，說明系統(tǒng)所需熱負(fù)荷很小，應(yīng)調(diào)整井泵變頻，減小地?zé)崴?，科學(xué)合理地使用地?zé)豳Y源。

　　3.8地?zé)峋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送

　　3口地?zé)峋嚯x中央監(jiān)控室很遠(yuǎn)，距離約500m，其余2口井各自距離約1500m，設(shè)在地?zé)峋谋O(jiān)控?cái)?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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要在通訊網(wǎng)絡(luò)中增加很多通訊中繼器，安裝敷設(shè)或是維護(hù)都比較困難。將地?zé)峋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控計(jì)算機(jī)，關(guān)系到管理人員對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。可考慮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(yuǎn)（1500m）、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速等優(yōu)點(diǎn)。

　　4.結(jié)論

　　4.1根據(jù)系統(tǒng)工藝設(shè)備配置和負(fù)荷需求，劃分多個(gè)工況，最大限度的梯級利用地?zé)豳Y源，盡量節(jié)約輔助加熱系統(tǒng)能量。同時(shí)合理分配系統(tǒng)水量，保證生活用水。

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

　　4.3引入預(yù)測機(jī)制，采用多種調(diào)節(jié)方式，對多種熱源、換熱設(shè)備等進(jìn)行資源總體優(yōu)化控制，最大限度降低運(yùn)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。

　　AnalyseofGeothermy-heatpumpheatingcontrolsystem

　　ZhaoTianJiaKunShaoLiminWangHongLiaoChuanshan

　?。↖nstituteofAirConditioning，ChinaAcademyofBuildingresearch，Beijing100013，China）

　　Abstract：Thegeothermy-heatpumpheatingautomationsystem，whichwasusedin400，000m2areainBeijing，isintroducedinthearticle.Itexpatiatesthecontrolprincipletokeepthesystemstable，effective，reasonableandsavingenergysources.Italsoanalysesthesolutionofthespecialcontrol，。Insteadofconventionallycontrollingeitherthesupplyorthereturnflowtemperatureinfunctionofoutdoortemperature，thenewapproachdeliversthemodelpredictivecontrolandoptimizationtokeepthecomfortandthelowestcost.Ithashighreferencevaluetodesignanddebugthecontrolsystemofgeothermy-heatpumpheatingsystem.

　　Keywords：geothermy，heatpump，automation