1.引言

　　進(jìn)入21世紀，能源與環(huán)境問(wèn)題成為人類(lèi)迫切需要解決的大問(wèn)題，它直接影響到全球生態(tài)平衡和人類(lèi)的可持續發(fā)展。由于能源短缺以及傳統不可再生燃料使用所產(chǎn)生的嚴重環(huán)境污染問(wèn)題，使人們探索諸如太陽(yáng)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，地熱能作為一種具有廣闊開(kāi)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，地熱資源是可再生利用的清潔能源，既節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)濟效益。

　　北京的地熱田屬于低溫熱儲，地熱水的溫度在25～90℃之間，地熱水中含有大量的熱能，通過(guò)地熱—熱泵系統將地熱用于供暖具有運行成本低、無(wú)污染的優(yōu)勢，并且符合“綠色奧運”的理念。目前北京市政府已把推廣地熱采暖列為治理首都城市污染的措施之一。

　　地熱資源要科學(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地熱－熱泵供暖自控系統進(jìn)行分析，提出波動(dòng)調節及預估控制，最大限度充分梯級利用地熱資源并保證尾水合理使用及回灌。

　　2.工程概述

　　該小區位于北京北部，建筑面積40萬(wàn)平米，其中住宅34.6萬(wàn)平米，配套用房5.5萬(wàn)平米，是綠色奧運試點(diǎn)工程。小區共有五口1000米深地熱井，其中兩口抽水井，兩口回灌井以及一口備用井。出水溫度68℃，供水量為150噸/小時(shí)�？偣�熱量為25000KW，其中地熱供熱能力為4012KW，地熱－熱泵供熱能力為5988KW，其余由小區輔助熱源燃氣鍋爐提供。采用熱泵技術(shù)將地熱水梯級利用到18℃，提供小區供暖，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地熱資源。

　　小區的供暖梯級利用分為三部分，分別為低區散熱器供暖、高區地板輻射供暖、低區地板輻射供暖。其中低區散熱器供暖來(lái)自于一級地熱以及輔助熱源，高區地板輻射供暖來(lái)自于二級地熱以及輔助熱源，低區地板輻射供暖來(lái)自于一級二級地熱尾水、熱泵提升以及輔助熱源。

　　3.地熱—熱泵供熱系統的控制方案

　　3.1控制的基本原則

　　由于系統比較復雜，要保證系統穩定、高效、合理、節能的運行，控制方案必須遵循如下原則：

　　3.1.1最大限度的利用地熱資源，盡量節約輔助加熱系統能量。

　　在最大負荷變小時(shí)，優(yōu)先減少輔助加熱量。

　　在負荷有很大減少后，逐級關(guān)停熱泵機組和地熱井。

　　在負荷較小時(shí)，關(guān)停了熱泵機組后，地熱井不能滿(mǎn)足供熱負荷需求時(shí)，再開(kāi)啟輔助加熱系統。

　　3.1.2采用質(zhì)和量并調的調節方式。

　　3.1.3 多參數、多工況判斷切換不同的供暖工況。

　　3.1.4采用室外溫度補償動(dòng)態(tài)負荷調節，供暖溫度再設定，既可保證住戶(hù)室溫的舒適性又可節省能源。

　　3.1.5采用模型預測控制及最小二乘優(yōu)化算法，考慮氣象預報、電價(jià)計費等因素，使得舒適度、運行成本兩方面都達到最優(yōu)化。

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

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

　　3.1.8地熱井就地控制，監控數據遠距離傳輸。

　　3.2供熱負荷調節與控制

　　根據各供暖區不同時(shí)間的熱負荷，實(shí)時(shí)計算實(shí)際的供暖量，與設定值進(jìn)行比較，確定不同的調節方案。

　　負荷計算公式：

　　式中： Q——熱負荷；F——流量；tg——供水溫度；th——回水溫度

　　3.2.1低區散熱器系統負荷控制

　　圖3.2.1 低區散熱器采暖系統控制原理圖

　　低區散熱器系統由地熱井板換B11和輔助加熱板換Bh2直接負責供暖調節。通過(guò)測量低區散熱器供水溫度T11、回水溫度T12以及流量值FR2計算出實(shí)際的熱負荷。當低區散熱器采暖熱負荷百分比在100～35%范圍內變化時(shí)，優(yōu)先減小輔助加熱量。當負荷百分比在35%～0%范圍內變化時(shí)，關(guān)閉輔助加熱板換Bh2，由地熱井板換B11負責供暖調節。低區散熱器采暖系統控制原理圖見(jiàn)圖3.2.1.高區地板采暖系統控制原則與低區散熱器采暖控制原則基本相同。

　　3.2.2低區地板輻射采暖系統

　　圖3.2.2 低區地板輻射采暖系統控制原理圖

　　低區地板輻射采暖利用三臺熱泵機組提升低區散熱器和高區地板輻射采暖系統的地熱尾水進(jìn)行供熱，實(shí)現地熱資源梯級利用。負荷百分比在不同的階段分別投入不同的機組和熱交換組合。當負荷百分比在100%～42.8%范圍內變化時(shí)，開(kāi)啟2口地熱井，3臺熱泵HP滿(mǎn)負荷運行，地熱板換B2、B3、B4與高溫輔助熱源板換Bh3一起負責供暖調節，在此范圍內負荷減少優(yōu)先減小Bh3.當負荷百分比在43%～30%范圍內變化時(shí)，開(kāi)啟2口地熱井，3臺熱泵根據負荷自動(dòng)調節運行，關(guān)閉輔助加熱量Bh3.當負荷百分比在30%～15%范圍內變化時(shí)，開(kāi)啟2口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動(dòng)調節供熱量。當負荷百分比在15%～0%范圍內變化時(shí)，開(kāi)啟1口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動(dòng)調節供熱量。

　　在負荷變化百分比的4個(gè)不同區域內，每個(gè)區域內負荷變化的調節方式為：當負荷需求為最大時(shí)，熱泵機組、地熱井與輔助加熱一起負責供熱，當負荷變化時(shí)優(yōu)先調節輔助加熱，輔助加熱調至全關(guān)后，負荷再變化依靠由熱泵機組自身的調節功能（增減機頭）來(lái)實(shí)現控制，當負荷減少量大到需要停止1套熱泵機組時(shí)，關(guān)閉1熱泵機組及附泵，并適當調小地熱井潛水泵變頻器值，以保證地熱水供水量滿(mǎn)足要求。

　　當室外溫度較高，或者其他系統負荷降低，經(jīng)過(guò)一級二級換熱后的地熱水溫度較高，不需要熱泵進(jìn)行提升就能滿(mǎn)足低區地板采暖的要求，這時(shí)應關(guān)閉熱泵兩側閥門(mén)，打開(kāi)旁通閥直接進(jìn)行熱交換。如圖3.2.2所示，關(guān)閉HP2V3、HP2V4閥及熱泵一次側循環(huán)泵，打開(kāi)HP2V1、HP2V2閥，達到節能目的。

　　3.3質(zhì)調節與量調節

　　在供暖系統二次側環(huán)路，采用分階段變流量的量調節方式，在不同的供暖負荷需求期，改變供熱循環(huán)水量以適應負荷的變化，同時(shí)輔以變供水溫度的質(zhì)調節方式，對于室外溫度高于某一值，熱負荷需求較小的供暖時(shí)期，不采用變流量的量調節方式，而采用變供水溫度的質(zhì)調節方式，供暖流量設定為保證供暖系統穩定運行的流量值，這樣可以保證在整個(gè)供暖周期內系統平穩的運行。

　　在地板輻射采暖系統中，末端都預留了溫控閥，當溫控閥安裝上后，可以根據最不利末端的供回水壓差與設定值的差進(jìn)行PID調節變頻器的值，在保證每一個(gè)供暖末端用戶(hù)都能自己控制室溫的條件下，系統仍能穩定運行。

　　3.4多參數、多工況判斷切換不同的供暖工況

　　綜合溫度、時(shí)間、負荷參數的變化，進(jìn)行不同供暖工況的切換，避免因單一參數的不穩定性，造成頻繁的工況切換而使系統振蕩。

　　3.5一次側電動(dòng)蝶閥的控制

　　為了在負荷降低時(shí)讓上一級多余的地熱水直接流入下一級，在地熱板換的一次側都設有旁通閥，見(jiàn)圖3.2.1.在設計的初衷由三通閥來(lái)實(shí)現調節功能，但由于一次側管徑都為DN100到DN200的大管徑，并考慮到工作壓力、溫度介質(zhì)以及系統阻力平衡后，由兩個(gè)兩通的蝶閥配合使用來(lái)實(shí)現調節功能。因此為保證二次側供水溫度的穩定，需要根據供水溫度與設定溫度的偏差PID調節一次側水閥B11V1的開(kāi)度，同時(shí)應同步反方向調節B11V2的開(kāi)度，以保證地熱水總流量的穩定。但由于蝶閥的特性曲線(xiàn)并不是線(xiàn)性的，各廠(chǎng)家制造的蝶閥特性曲線(xiàn)也有較大的區別。通常來(lái)說(shuō)閥板較薄的接近于百分比特性，閥板較厚的則接近直線(xiàn)特性。閥的開(kāi)度L<60%的范圍內接近等百分比特性，在L>60％的范圍內，多表現為直線(xiàn)特性，甚至表現為快開(kāi)特性。在調節過(guò)程中應根據B11V1的開(kāi)度推算進(jìn)入板換的流量，再計算出旁通B11V2應通過(guò)的流量，反推算出B11V2的閥門(mén)開(kāi)度，從而保證總的流量的穩定。

　　3.6預測控制

　　圖3.6 北京某小區日平均熱負荷與室外日平均溫度曲線(xiàn)

　　傳統的控制思路以室外溫度為函數的供水溫度控制。供熱系統日平均熱負荷與室外日平均溫度對應關(guān)系如圖3.6所示。計算機自動(dòng)檢測室外溫度后，疊加進(jìn)相應的供熱調節回路中，根據室外溫度變化，自動(dòng)調節供熱負荷。

　　為了進(jìn)一步降低運行成本，可以引入預測機制。首先根據天氣預報資料預測未來(lái)24小時(shí)系統所需熱負荷，利用該數值對系統未來(lái)24小時(shí)的運行工況進(jìn)行預估，在保證滿(mǎn)足供熱需求和室內舒適度的前提下，綜合考慮低谷電價(jià)時(shí)段、停電時(shí)段、設備運行效率等因素，進(jìn)行優(yōu)化計算，調整溫度設定值，盡量在低谷電價(jià)時(shí)段輸出熱量。優(yōu)化計算時(shí)，有兩種方案，一種只考慮系統穩態(tài)特性和室外平均溫度預測值；另一種是在設備高效運行前提下，利用預測的室外溫度瞬態(tài)值和系統動(dòng)態(tài)熱特性數學(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分季節控制生活熱水系統

　　夏季，由于沒(méi)有供熱，地熱水僅用于生活洗浴，打開(kāi)相應閥門(mén)，地熱原水可直接通過(guò)增壓泵進(jìn)入水處理設備，然后進(jìn)入生活熱水箱。若水箱出水溫偏高，則加入自來(lái)水，使生活用水溫度保持在65℃左右。根據供水溫度與設定值的差，開(kāi)閉自來(lái)水電磁閥，控制水箱溫度。

　　冬季，由于供熱負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。嚴寒階段供熱需求大，為盡可能滿(mǎn)足供暖的需求，此時(shí)地熱原水盡可能用于供暖，若地熱尾水溫度較低，說(shuō)明供暖系統實(shí)際需求較大，地熱原水不能再過(guò)多的承擔生活用水，此時(shí)生活用水采用一部分地熱尾水經(jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設備，通過(guò)控制輔助加熱板換一次側閥門(mén)的開(kāi)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寒階段較少，地熱尾水溫度高于設定值，除滿(mǎn)足供暖的需求外，還可部分滿(mǎn)足生活用水，此時(shí)盡可能多的利用地熱原水提供生活用水。生活用水一部分采用地熱原水，一部分采用地熱尾水，混合后經(jīng)增壓泵進(jìn)入水處理設備，再經(jīng)輔助加熱板換控制到設定溫度后，進(jìn)入生活熱水箱。

　　過(guò)渡季節，由于沒(méi)有供熱，生活熱水同夏季。當有短時(shí)寒流襲來(lái)時(shí)，如生活用水溫度達不到要求時(shí)，可啟用高溫輔助板換進(jìn)行補充，使生活用水溫度保持在65℃左右。

　　若經(jīng)過(guò)梯級利用后地熱水的尾水溫度仍大于合理排放的溫度時(shí)，說(shuō)明系統所需熱負荷很小，應調整井泵變頻，減小地熱水水量，科學(xué)合理地使用地熱資源。

　　3.8地熱井監控數據遠程傳送

　　3口地熱井距離中央監控室很遠，距離約500m，其余2口井各自距離約1500m，設在地熱井的監控數據要傳輸到中央監控系統，無(wú)論使用常規的雙絞線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)通訊方式進(jìn)行數據傳輸，需要在通訊網(wǎng)絡(luò )中增加很多通訊中繼器，安裝敷設或是維護都比較困難。將地熱井監控數據可靠、穩定的傳輸到中央監控計算機，關(guān)系到管理人員對整個(gè)系統的實(shí)時(shí)控制�？煽紤]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（>1500m）、數據傳輸穩定、快速等優(yōu)點(diǎn)。

　　4.結論

　　4.1 根據系統工藝設備配置和負荷需求，劃分多個(gè)工況，最大限度的梯級利用地熱資源，盡量節約輔助加熱系統能量。同時(shí)合理分配系統水量，保證生活用水。

　　4.2 工況切換時(shí)，采用多參數判定，保證系統穩定性。

　　4.3 引入預測機制，采用多種調節方式，對多種熱源、換熱設備等進(jìn)行資源總體優(yōu)化控制，最大限度降低運行成本。

　　4.4 針對自控系統監控對象相對分散的情況，采用分布式控制系統和可靠的通訊傳輸介質(zhì)保證系統穩定。

　　Analyse of Geothermy- heat pump heating control system

　　Zhao Tian   Jia Kun   Shao Limin   Wang Hong   Liao Chuanshan

　�。↖nstitute of Air Conditioning， China Academy of Building research， Beijing 100013，China）

　　Abstract：The geothermy- heat pump heating automation system ， which was used in 400，000 m2 area in Beijing， is introduced in the article. It expatiates the control principle to keep the system stable， effective， reasonable and saving energy sources. It also analyses the solution of the special control，。 Instead of conventionally controlling either the supply or the return flow temperature in function of outdoor temperature， the new approach delivers the model predictive control and optimization to keep the comfort and the lowest cost. It has high reference value to design and debug the control system of geothermy- heat pump heating system .

　　Keywords：geothermy， heat pump， automation

　　參考文獻

　　[1] 劉國林主編。建筑物自動(dòng)化系統。北京：機械工業(yè)出版社，2002

　　[2] E. Shafai， R. Wimmer， H. P. Geering .A New Control Approach for Heat Pump Heating Systems. Beijing：7th International Energy Agency Heat Pump Conference，2002