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(yīng)用。本文闡述了地下水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的原理，同時分析了經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，得出地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保方面的顯著性。

關(guān)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(shè)和發(fā)展，以節(jié)能、環(huán)保為更高目標(biāo)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(jìn)行供熱采暖和制冷的空調(diào)已成為建筑節(jié)能的優(yōu)先選擇。

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種先進(jìn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)，是對可再生的地?zé)崮苜Y源的一種利用。面對當(dāng)前日益嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源緊缺危機(jī)，合理高效的利用地?zé)豳Y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(diào)系統(tǒng)自身的時變、非線性、大滯后等特性，在實際應(yīng)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(dāng)前的地源熱泵空調(diào)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(dǎo)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(diào)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(diào)控制系統(tǒng)為研究對象，在研究地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理和控制機(jī)理的基礎(chǔ)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(shù)和PID調(diào)節(jié)相結(jié)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(dá)到節(jié)能的目的。

二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

地下水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)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(diào)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(diào)與傳統(tǒng)空氣源熱泵中央空調(diào)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(shù)，運行費用低。

（三）舒適度和自動化程度高。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個不斷進(jìn)行熱量交換的能量轉(zhuǎn)換過程。在這里，地埋管水循環(huán)和室內(nèi)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(nèi)末端水循環(huán)系統(tǒng)的控制是地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。

三、地源熱泵空調(diào)節(jié)能研究

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

中央空調(diào)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(diào)系統(tǒng)設(shè)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(shè)備的控制上面了。采用節(jié)能的控制技術(shù)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(diào)的耗能設(shè)備中，制冷壓縮機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵等制冷設(shè)備的能耗是最主要的， 取決于設(shè)備的裝機(jī)容量及運行控制技術(shù)，而裝機(jī)容量的選擇又是以空調(diào)負(fù)荷為依據(jù)的。因此，一方面，應(yīng)該通過增大建筑物圍護(hù)的熱阻、提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保冷隔熱性能來有效減少建筑物的冷負(fù)荷。而另一方面，在空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷和裝機(jī)容量確定以后，空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵就在于運行控制技術(shù)和設(shè)備的選擇。選用先進(jìn)的運行控制技術(shù)和設(shè)備，提高冷水機(jī)組和循環(huán)水泵的能源利用效率，對降低空調(diào)系統(tǒng)能耗而言至關(guān)重要。

（三）系統(tǒng)節(jié)能控制。地源熱泵作為一種新型技術(shù)，在溫度、節(jié)能和智能化控制上面的研究應(yīng)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(diào)控制系統(tǒng)的模式。

隨著技術(shù)的發(fā)展，可使用變頻技術(shù)對泵的運行進(jìn)行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，這就是變頻流量控制技術(shù)。變頻流量控制技術(shù)是一項節(jié)能的控制技術(shù)，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(diào)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(diào)系統(tǒng)運行能耗的較好解決方案。

基于變頻調(diào)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對空調(diào)系統(tǒng)各項指標(biāo)如溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)量等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以節(jié)省電能并實現(xiàn)同步負(fù)荷控制。

四、自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)運用分析

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定控制系統(tǒng)。PID控制中一個關(guān)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(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來確定參數(shù)。但在地源熱泵空調(diào)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(dāng)?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。基于模糊控制調(diào)節(jié)迅速、超調(diào)量小的優(yōu)點，將模糊控制技術(shù)引入到PID控制器參數(shù)調(diào)整的過程中來，使PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)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(diào)整原則。自適應(yīng)模糊PID控制算法是根據(jù)控制者對PID控制器的設(shè)計經(jīng)驗，利用模糊控制技術(shù)，將PID控制參數(shù)的實時調(diào)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(diào)整。自適應(yīng)模糊PID控制器中，PID參數(shù)的調(diào)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(guān)系。

（二）PID控制技術(shù)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(diào)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(yīng)模糊調(diào)整的功能，從而使地源熱泵空調(diào)中針對非線性和滯后情況嚴(yán)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(yīng)模糊PID控制器在冷凍水變流量溫差控制系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真研究，這一設(shè)計能夠很好地跟蹤冷凍水供回水的目標(biāo)溫差，上升時間快，超調(diào)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(yīng)用中。

（三）節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化。在進(jìn)行控制系統(tǒng)總體設(shè)計時，一側(cè)采用溫差變流量控制，即傳感器感應(yīng)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(cè)水泵運行數(shù)量的控制； 而二次側(cè)采用恒壓差控制，由閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)中的差壓變送器進(jìn)行供水管路壓力探測，實現(xiàn)對二次側(cè)水泵運行頻率和數(shù)量的控制。

五、結(jié)語

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益，擁有廣闊的發(fā)展空間與細(xì)前景，有關(guān)部門應(yīng)加強引導(dǎo)作用，為其推廣創(chuàng)設(shè)有利條件，可采取相應(yīng)的獅政策如稅收減免和財政補貼，促進(jìn)地源熱菜技術(shù)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(xiàn)：

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