水源熱泵中央空調系統(tǒng)在工程中的應用

摘 要：在建筑能耗居高不下的大背景下，地下水源熱泵系統(tǒng)因其具有較高的性能系數(shù)和可利用容易再生低品位能源的節(jié)能優(yōu)勢而得到了廣泛地應用。本文闡述了地下水源熱泵中央空調系統(tǒng)的原理，同時分析了經(jīng)濟性和節(jié)能性，得出地下水水源熱泵空調系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保方面的顯著性。

關鍵詞：地源熱泵；變頻；模糊控制；PID算法

一、前言

隨著城市的建設和發(fā)展，以節(jié)能、環(huán)保為更高目標的創(chuàng)新發(fā)展浪潮已在全國迅猛興起，利用地源熱泵、水源熱泵等進行供熱采暖和制冷的空調已成為建筑節(jié)能的優(yōu)先選擇。

地下水源熱泵空調系統(tǒng)是一種先進、高效、節(jié)能、環(huán)保的空調系統(tǒng)，是對可再生的地熱能資源的一種利用。面對當前日益嚴重的環(huán)境問題和能源緊缺危機，合理高效的利用地熱資源是解決環(huán)境和能源問題的有效途徑。但是由于地下水源熱泵空調系統(tǒng)自身的時變、非線性、大滯后等特性，在實際應用中采用常規(guī)的控制策略難以得到良好的控制效果，以至于節(jié)能效果不明顯。

在當前的地源熱泵空調系統(tǒng)中，存在自動化程度不高和控制系統(tǒng)能耗較大等問題，導致系統(tǒng)工作效率不高。因而，研究一套高效節(jié)能的自動控制系統(tǒng)，對于降低地源熱泵空調能耗和提高其工作效率具有重要意義。

文章以地源熱泵中央空調控制系統(tǒng)為研究對象，在研究地源熱泵空調系統(tǒng)的工作原理和控制機理的基礎上，針對其在溫度節(jié)能控制方面的不足，運用模糊智能控制技術和PID調節(jié)相結合的控制方式，對其水循環(huán)系統(tǒng)實施變頻流量控制，以求在提高控制精度的同時又達到節(jié)能的目的。

二、地源熱泵空調系統(tǒng)的工作原理

地下水源熱泵中央空調系統(tǒng)主要由熱泵機組系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、末端裝置和潛水泵組成。它與普通空調系統(tǒng)相比，具有使用一套系統(tǒng)即可同時滿足制冷和供熱需求的特點，同時能夠有效的利用低品位冷、熱源有著節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢。地源熱泵中央空調與傳統(tǒng)空氣源熱泵中央空調的供熱、制冷方式相比，具有如下優(yōu)點：

（一）使用可再生的清潔能源，環(huán)境效益顯著。

（二）地源熱泵是一項高效節(jié)能的技術，運行費用低。

（三）舒適度和自動化程度高。

地源熱泵空調系統(tǒng)的工作過程是一個不斷進行熱量交換的能量轉換過程。在這里，地埋管水循環(huán)和室內末端水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對地埋管水循環(huán)和室內末端水循環(huán)系統(tǒng)的控制是地源熱泵空調控制系統(tǒng)的重要組成部分。

三、地源熱泵空調節(jié)能研究

（一）系統(tǒng)能耗分析。中央空調是現(xiàn)代建筑物的能耗大戶。舒適性中央空調又具有使用時間集中、季節(jié)性負荷大的特點，更加重了我國電網(wǎng)負荷峰谷差的矛盾，因此，采用高新技術和裝備提高中央空調的能源利用效率刻不容緩。

中央空調系統(tǒng)運行中，可以采用多種手段實現(xiàn)節(jié)能的目的但在空調系統(tǒng)設備選型己經(jīng)確定和投入實際運行之后，節(jié)能的途徑就主要體現(xiàn)在對各種設備的控制上面了。采用節(jié)能的控制技術可獲得很好的節(jié)能效果，這也是實際工作中重點所在。

（二）系統(tǒng)節(jié)能分析。在地源熱泵中央空調的耗能設備中，制冷壓縮機、冷凍水泵、冷卻水泵等制冷設備的能耗是最主要的， 取決于設備的裝機容量及運行控制技術，而裝機容量的選擇又是以空調負荷為依據(jù)的。因此，一方面，應該通過增大建筑物圍護的熱阻、提高建筑圍護結構的保冷隔熱性能來有效減少建筑物的冷負荷。而另一方面，在空調系統(tǒng)的冷負荷和裝機容量確定以后，空調節(jié)能的關鍵就在于運行控制技術和設備的選擇。選用先進的運行控制技術和設備，提高冷水機組和循環(huán)水泵的能源利用效率，對降低空調系統(tǒng)能耗而言至關重要。

（三）系統(tǒng)節(jié)能控制。地源熱泵作為一種新型技術，在溫度、節(jié)能和智能化控制上面的研究應用還不是很完善，沒有固定的模式可以照搬，故在工程上還需要借鑒和采用傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)的模式。

隨著技術的發(fā)展，可使用變頻技術對泵的運行進行控制，從而達到調節(jié)流量的目的，這就是變頻流量控制技術。變頻流量控制技術是一項節(jié)能的控制技術，不僅可以避免電動閥門控制造成的電能浪費提高控制和調節(jié)的精度，還可以實現(xiàn)水循環(huán)系統(tǒng)的變頻節(jié)能控制，是降低空調系統(tǒng)運行能耗的較好解決方案。

基于變頻調速控制精度和自動化程度高的特點，通過變頻改變水泵和風機的轉速，對空調系統(tǒng)各項指標如溫度、濕度、風速和風量等進行控制和調節(jié)，以節(jié)省電能并實現(xiàn)同步負荷控制。

四、自適應模糊PID控制技術運用分析

PID控制具有結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定控制系統(tǒng)。PID控制中一個關鍵的問題便是PID參數(shù)的整定，傳統(tǒng)的方法是在獲取對象的數(shù)學模型的基礎上，根據(jù)某一整定原則來確定參數(shù)。但在地源熱泵空調系統(tǒng)中，由于被控對象具有高度非線性、時變不確定性和大滯后性等特點，其過程參數(shù)實際上會隨時間和工作環(huán)境的變化而變化，從而難以確定恰當?shù)腜ID參數(shù)，使得常規(guī)的PID控制難以取得滿意的控制效果?；谀：刂普{節(jié)迅速、超調量小的優(yōu)點，將模糊控制技術引入到PID控制器參數(shù)調整的過程中來，使PID控制器能夠實現(xiàn)參數(shù)在線自適應調整，是一個不錯的折中方案，可吸收兩種控制方法各自的優(yōu)點，取得良好的控制效果。

（一） PID參數(shù)的調整原則。自適應模糊PID控制算法是根據(jù)控制者對PID控制器的設計經(jīng)驗，利用模糊控制技術，將PID控制參數(shù)的實時調整策略制定為模糊控制規(guī)則，實現(xiàn)PID控制器的在線參數(shù)實時調整。自適應模糊PID控制器中，PID參數(shù)的調整必須考慮到不同時刻3個參數(shù)的作用及相互的互聯(lián)關系。

（二）PID控制技術運用。單純PID控制和模糊控制都不能很好地滿足地源熱泵空調的控制要求。從PID控制和模糊控制各自的優(yōu)點出發(fā)，將模糊控制引入到傳統(tǒng)PID控制中，使得PID控制器的三個參數(shù)具備在線自適應模糊調整的功能，從而使地源熱泵空調中針對非線性和滯后情況嚴重并且擾動因素多的被控對象也可以得到較好的控制效果。通過對自適應模糊PID控制器在冷凍水變流量溫差控制系統(tǒng)中的應用仿真研究，這一設計能夠很好地跟蹤冷凍水供回水的目標溫差，上升時間快，超調量少，沒有靜態(tài)誤差，表現(xiàn)出良好的控制性能，可推廣到實際工程應用中。

（三）節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化。在進行控制系統(tǒng)總體設計時，一側采用溫差變流量控制，即傳感器感應到的溫差傳給可編程邏輯控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)一次側水泵運行數(shù)量的控制； 而二次側采用恒壓差控制，由閉環(huán)負反饋系統(tǒng)中的差壓變送器進行供水管路壓力探測，實現(xiàn)對二次側水泵運行頻率和數(shù)量的控制。

五、結語

地源熱泵中央空調系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，兼顧經(jīng)濟效益與環(huán)保效益，擁有廣闊的發(fā)展空間與細前景，有關部門應加強引導作用，為其推廣創(chuàng)設有利條件，可采取相應的獅政策如稅收減免和財政補貼，促進地源熱菜技術的提升，讓其造福百姓，充分發(fā)揮其環(huán)境效益，惠及民生。

參考文獻：

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