鮑 超 張志堯 劉啟明 魏俊輝 高 朋

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

地源熱泵是一種利用可再生能源供暖制冷的節(jié)能技術(shù)，近年逐步推廣應(yīng)用。而針對(duì)氣候特點(diǎn)或建筑功能要求所導(dǎo)致建筑冷負(fù)荷需求遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷需求的情況，單獨(dú)采用地源熱泵系統(tǒng)則難以滿足要求。例如，若地源熱泵系統(tǒng)僅考慮承擔(dān)全部熱負(fù)荷需求，則地埋換熱孔數(shù)量及機(jī)房設(shè)備均不夠承擔(dān)全部建筑冷負(fù)荷的要求；若地源熱泵系統(tǒng)依據(jù)可承擔(dān)全部冷負(fù)荷的條件進(jìn)行布置，雖能滿足系統(tǒng)全部供冷供熱需求，但由于一個(gè)供冷季加一個(gè)供暖季循環(huán)的累計(jì)冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于累計(jì)熱負(fù)荷，即地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤排熱的總量遠(yuǎn)大于向土壤取熱的總量，因此長期運(yùn)行過程中將出現(xiàn)土壤冷熱失衡問題，產(chǎn)生“熱堆積”現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓[1]。因此，對(duì)于以上情況建議采用地源熱泵+冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)的復(fù)合能源耦合形式承擔(dān)建筑冷熱負(fù)荷需求。

地源熱泵+冷水機(jī)組的復(fù)合式系統(tǒng)是在地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加輔助冷源冷水機(jī)組及配套冷卻塔設(shè)備，夏季運(yùn)行時(shí)可通過冷水機(jī)組輔助地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，冬季運(yùn)行時(shí)則完全由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部熱負(fù)荷需求，以此方式解決項(xiàng)目冷負(fù)荷需求遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷需求的系統(tǒng)要求；此外還可通過對(duì)系統(tǒng)的精細(xì)化管理控制，統(tǒng)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)供回水溫度、流量以及運(yùn)行時(shí)長等相關(guān)參數(shù)，合理分析供暖季地源熱泵系統(tǒng)的總排熱量，并以此作為依據(jù)調(diào)整夏季工況系統(tǒng)運(yùn)行策略，合理分配夏季地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間及所承擔(dān)的冷負(fù)荷（例如部分時(shí)段優(yōu)先開啟冷水機(jī)組系統(tǒng)，保證地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行），以此保證地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)夏季排熱量與冬季取熱量滿足平衡要求，有效緩解地源熱泵土壤熱堆積問題。

本文所述復(fù)合式冷熱源系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)僅增加冷卻塔進(jìn)行輔助散熱的系統(tǒng)方式，分別對(duì)源側(cè)的機(jī)房及配套室外部分（地埋孔和冷卻塔）進(jìn)行優(yōu)化，有效解決系統(tǒng)裝機(jī)匹配問題。此種方式首先可保證冷水機(jī)組及配套冷卻塔系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況（32/37℃），而不是僅用冷卻塔去匹配地源熱泵系統(tǒng)的夏季運(yùn)行工況（25/30℃），保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，避免選型誤差，降低投資成本（同型號(hào)冷水機(jī)組價(jià)格略低于熱泵機(jī)組）；此外此種方式系統(tǒng)劃分更為明確，便于系統(tǒng)運(yùn)行策略的制定和調(diào)整，利于系統(tǒng)運(yùn)行管理。本文將結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行要求著重對(duì)冷水機(jī)組輔冷的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略及控制邏輯進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)原理及運(yùn)行策略分析

1.1 系統(tǒng)原理說明

基于冷水機(jī)組輔冷的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)包括地源熱泵子系統(tǒng)和冷水機(jī)組子系統(tǒng)，地源熱泵機(jī)組采用地埋管換熱器作為冷熱源，冷水機(jī)組采用冷卻塔作為冷卻源，兩子系統(tǒng)并聯(lián)，可獨(dú)立運(yùn)行，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System diagram

本文地源熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組均分別以兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)的形式為例，闡述多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的控制要求。地源熱泵機(jī)組與空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵和地源側(cè)循環(huán)水泵要求一一對(duì)應(yīng)并采取聯(lián)動(dòng)運(yùn)行方式控制，冷水機(jī)組與冷卻塔、空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵和冷卻塔側(cè)循環(huán)水泵要求一一對(duì)應(yīng)并采取聯(lián)動(dòng)運(yùn)行方式控制。系統(tǒng)中的循環(huán)水泵均考慮設(shè)置一臺(tái)備用泵以備檢修使用。本系統(tǒng)主要設(shè)備參見表1，各設(shè)備均依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行原理及功能要求對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

表1 主要設(shè)備表Table 1 Main equipment list

1.2 系統(tǒng)特性分析

地源熱泵子系統(tǒng)運(yùn)行能效主要受地埋管換熱區(qū)域土壤溫度影響，在夏季供冷時(shí)，系統(tǒng)對(duì)土壤不斷進(jìn)行排熱，地埋管換熱器的土壤溫度逐漸升高，造成進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝器器的流體溫度較高，使得熱泵機(jī)組制熱能效相對(duì)下降。冷水機(jī)組子系統(tǒng)運(yùn)行能效主要受室外溫度影響，隨著室外溫度升高（降低），冷水機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行的制冷量和運(yùn)行能效隨之降低（升高）。

冷水機(jī)組輔冷的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制應(yīng)綜合考慮地源熱泵和冷水機(jī)組兩子系統(tǒng)運(yùn)行特性，從而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)能效。

1.3 運(yùn)行策略研究

通常情況下，夏季供冷時(shí)，以地源熱泵作為基載系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行，承擔(dān)建筑物的冷負(fù)荷需求；運(yùn)行過程中隨著系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的增加，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行不能滿足全部冷負(fù)荷需求時(shí)，開啟冷水機(jī)組及其配套設(shè)備進(jìn)行冷負(fù)荷調(diào)峰，聯(lián)合地源熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，共同承擔(dān)建筑全部的冷負(fù)荷需求。冬季供暖工況運(yùn)行時(shí)，僅采用地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部建筑熱負(fù)荷需求，運(yùn)行原理與單一地源熱泵系統(tǒng)相同[3]。

但綜合考慮供冷季室外溫度、建筑冷負(fù)荷的變化趨勢，以及地源熱泵子系統(tǒng)和水冷機(jī)組子系統(tǒng)的運(yùn)行特性，供冷初期和末期，室外溫度相對(duì)偏低，建筑冷負(fù)荷相對(duì)較小，水冷機(jī)組子系統(tǒng)運(yùn)行能效相對(duì)較高，而供冷季中期，室外溫度相對(duì)偏高，建筑冷負(fù)荷相對(duì)較大，水冷機(jī)組子系統(tǒng)運(yùn)行能效相對(duì)較低。而地源熱泵子系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷對(duì)土壤排熱，使得地源熱泵子系統(tǒng)能效逐漸降低。

因此，夏季供冷工況運(yùn)行策略調(diào)整為在供冷季初期和末期，優(yōu)先運(yùn)行水冷機(jī)組，水冷機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行后，地源熱泵機(jī)組作為調(diào)峰冷源使用；在供冷季中期（如7、8月份），優(yōu)先運(yùn)行地源熱泵機(jī)組，地源熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行后，冷水機(jī)組作為調(diào)峰冷源使用。

2 控制點(diǎn)設(shè)定

本系統(tǒng)為地源熱泵+冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)部分冷負(fù)荷和全部熱負(fù)荷，冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)進(jìn)行冷負(fù)荷調(diào)峰。地源熱泵系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)需求可分為冬夏兩種運(yùn)行工況，工況模式切換可通過三種方式實(shí)現(xiàn)，第一種是根據(jù)室外氣象參數(shù)參考預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)切換；第二種是根據(jù)系統(tǒng)寫入的固定時(shí)間表按照時(shí)間維度進(jìn)行切換；第三種是根據(jù)實(shí)際情況人為切換[2]。本文考慮人工切換方式雖需配置專業(yè)人員進(jìn)行操作，但操作簡單，每年僅需根據(jù)實(shí)際使用需求于供冷季或供暖季初期調(diào)整一次，因此建議采用第三種人工切換方式。閥門及傳感器裝設(shè)位置及作用如表2所示。

表2 閥門及傳感器裝設(shè)位置及作用Table 2 Installation position and function of valve and sensor

3 控制邏輯研究

3.1 夏季供冷工況邏輯分析

3.1.1 供冷季中期控制邏輯

在供冷季中期優(yōu)先運(yùn)行地源熱泵機(jī)組，根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的機(jī)組，確定選擇啟動(dòng)機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門。通過監(jiān)測空調(diào)回水溫度，分別進(jìn)行機(jī)組的加載和減載，其中機(jī)組、循環(huán)水泵、冷卻塔、電動(dòng)閥的控制邏輯如圖2所示。

圖2 供冷季中期復(fù)合系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.2 Control logic diagram of composite system in the middle of cooling season

3.1.2 供冷季初期和末期控制邏輯

在供冷季初期和末期，優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)組。復(fù)合系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示。

圖3 供冷季初期和末期復(fù)合系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.3 Control logic diagram of composite system at the beginning and end of cooling season

3.1.3 供冷工況系統(tǒng)啟動(dòng)

根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的機(jī)組，確定選擇啟動(dòng)1#或2#地源熱泵機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門[4,5]。

開啟順序?yàn)橄韧ㄟ^1#（或2#）地源熱泵機(jī)組控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，打開地源側(cè)電動(dòng)閥V1、V5、V9（或V11），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)循環(huán)水泵。水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

然后發(fā)出控制命令打開空調(diào)側(cè)電動(dòng)閥V3、V7、V10（或V12），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵。水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，空調(diào)側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

此時(shí)地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的管路及流動(dòng)均為正常狀態(tài)，延遲一段時(shí)間之后（可自行設(shè)定）且系統(tǒng)返回均顯示正常后，最后發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組，應(yīng)注意發(fā)出命令開啟的地源熱泵機(jī)組、水泵和閥門應(yīng)相互對(duì)應(yīng)。

3.1.4 供冷工況機(jī)組加載

當(dāng)僅一臺(tái)地源熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）大于設(shè)定溫度（T1，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測運(yùn)行機(jī)組的電流負(fù)載率為95%以上時(shí)，該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則開啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門。

開啟順序?yàn)橄乳_啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)顯示為“開”時(shí)，打開與2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)電動(dòng)閥V11（或V9），閥門開關(guān)狀態(tài)反饋為“開”且水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

然后開啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)顯示為“開”時(shí)，打開與2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)電動(dòng)閥V12（或V10），閥門開關(guān)狀態(tài)反饋為“開”，且水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，空調(diào)側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

此時(shí)地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的管路及流動(dòng)均為正常狀態(tài)，最后可發(fā)出2#（或1#）地源熱泵開機(jī)命令，使機(jī)組啟動(dòng)。

當(dāng)兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）大于設(shè)定溫度（T1，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測所有運(yùn)行機(jī)組的平均電流負(fù)載率為95%以上時(shí)，該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則開啟1#（或2#）冷水機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷需求繼續(xù)增大時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的機(jī)組，確定選擇啟動(dòng)1#或2#冷水機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門。冷水機(jī)組子系統(tǒng)的加載控制要求可參考上述地源熱泵子系統(tǒng)加載控制要求（可將冷卻側(cè)視為地埋側(cè)）。

3.1.5 供冷工況機(jī)組減載

當(dāng)兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組和兩臺(tái)冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）小于設(shè)定溫度（T2，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測所有運(yùn)行機(jī)組的平均電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在75%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止1#（或2#）冷水機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門。

根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的機(jī)組，確定選擇關(guān)閉1#或2#冷水機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門。

關(guān)閉順序?yàn)橄韧Ｖ?#（或2#）冷水機(jī)組，待系統(tǒng)收到冷水機(jī)組停止的反饋命令后，再停止1#（或2#）冷卻塔設(shè)備，并在延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定設(shè)）后，關(guān)閉1#（或2#）冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)電動(dòng)閥V16（或V18）。當(dāng)閥門顯示關(guān)閉狀態(tài)后，再關(guān)閉1#（或2#）冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋為“關(guān)”且水流開關(guān)狀態(tài)反饋為“關(guān)”時(shí)，可視為冷水機(jī)組空調(diào)側(cè)循環(huán)系統(tǒng)完全關(guān)閉。

然后關(guān)閉1#（或2#）冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)的冷卻塔側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋為“關(guān)”且水流開關(guān)狀態(tài)反饋為“關(guān)”后，關(guān)閉電動(dòng)閥V13（或V14）、V15（或V17）。可視為冷水機(jī)組冷卻塔側(cè)循環(huán)系統(tǒng)完全關(guān)閉。

當(dāng)兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組和一臺(tái)冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）小于設(shè)定溫度（T2，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測所有運(yùn)行機(jī)組的平均電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在66%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止正在運(yùn)行的2#（或1#）冷水機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門；同理，當(dāng)僅有兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）小于設(shè)定溫度（T2，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測所有運(yùn)行機(jī)組的平均電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在50%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止正在運(yùn)行的1#（或2#）地源熱泵機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門；當(dāng)僅有一臺(tái)地源熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）仍小于設(shè)定溫度（T2，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測運(yùn)行機(jī)組的電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在25%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止正在運(yùn)行的2#（或1#）地源熱泵機(jī)組及其地源側(cè)配套設(shè)備和閥門。各子系統(tǒng)的減載控制要求可參考上述冷水機(jī)組子系統(tǒng)減載控制要求（可將地埋側(cè)視為冷卻側(cè)）。

3.1.6 供冷工況系統(tǒng)關(guān)閉

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，關(guān)閉順序?yàn)橄韧Ｖ沟卦礋岜脵C(jī)組和冷水機(jī)組，待系統(tǒng)收到所有機(jī)組停止的反饋命令并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，關(guān)閉所有循環(huán)水泵，并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，最后關(guān)閉已開啟的電動(dòng)閥門，待機(jī)組、水泵以及閥門反饋顯示關(guān)閉后，系統(tǒng)視為正常關(guān)閉。

3.2 冬季供熱工況邏輯分析

3.2.1 供暖季控制邏輯

冬季整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行以供熱為目的，此時(shí)地埋管側(cè)為蒸發(fā)側(cè)從土壤吸熱。在冬季供熱模式下，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式與夏季模式有所不同。冬季供熱模式下，僅采用地源熱泵機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，承擔(dān)建筑的全部熱負(fù)荷需求，其復(fù)合系統(tǒng)控制邏輯如圖4所示。

圖4 供暖工況復(fù)合系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.4 Control logic diagram of composite heating system

3.2.2 供熱工況系統(tǒng)啟動(dòng)

根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的機(jī)組，確定選擇啟動(dòng)1#或2#地源熱泵機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門。

開啟順序?yàn)橄韧ㄟ^1#（或2#）地源熱泵機(jī)組控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，打開地源側(cè)電動(dòng)閥V2、V6、V9（或V11），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)循環(huán)水泵。水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

然后發(fā)出控制命令打開空調(diào)側(cè)電動(dòng)閥V4、V8、V10（或V12），閥門全部開啟的反饋命令收到后，發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵。水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，空調(diào)側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

此時(shí)地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的管路及流動(dòng)均為正常狀態(tài)，延遲一段時(shí)間之后（可自行設(shè)定）且系統(tǒng)返回均顯示正常后，最后發(fā)出控制命令開啟1#（或2#）地源熱泵機(jī)組，應(yīng)注意發(fā)出命令開啟的地源熱泵機(jī)組、水泵和閥門應(yīng)相互對(duì)應(yīng)。

3.2.3 供熱工況機(jī)組加載

當(dāng)僅一臺(tái)地源熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）小于設(shè)定溫度（T3，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測運(yùn)行機(jī)組的電流負(fù)載率為95%以上時(shí)，該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則開啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門。

開啟順序?yàn)橄乳_啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)顯示為“開”時(shí)，打開與2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)電動(dòng)閥V11（或V9），閥門開關(guān)狀態(tài)反饋為“開”且水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

然后開啟2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)顯示為“開”時(shí)，打開與2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)電動(dòng)閥V12（或V10），閥門開關(guān)狀態(tài)反饋為“開”，且水泵開啟反饋和水流開關(guān)反饋顯示正常后，空調(diào)側(cè)循環(huán)系統(tǒng)可視為正常運(yùn)行。

此時(shí)地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的管路及流動(dòng)均為正常狀態(tài)，最后可發(fā)出2#（或1#）地源熱泵開機(jī)命令，使機(jī)組啟動(dòng)。

3.2.4 供熱工況機(jī)組減載

當(dāng)有兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）大于設(shè)定溫度（T4，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測所有運(yùn)行機(jī)組的電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在50%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止正在運(yùn)行的1#（或2#）地源熱泵機(jī)組及其配套設(shè)備和閥門。

根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)要求，首先應(yīng)通過設(shè)備自動(dòng)輪換功能，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)選擇累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的機(jī)組，確定選擇關(guān)閉1#或2#地源熱泵機(jī)組以及對(duì)應(yīng)的閥門。

關(guān)閉順序?yàn)橄韧Ｖ?#（或2#）地源熱泵機(jī)組，待系統(tǒng)收到地源熱泵機(jī)組停止的反饋命令并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，關(guān)閉1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)電動(dòng)閥V10（或V12）和地源側(cè)電動(dòng)閥V9（或V11）。當(dāng)閥門顯示關(guān)閉狀態(tài)后，再關(guān)閉1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵和地源側(cè)循環(huán)水泵，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋為“關(guān)”且水流開關(guān)狀態(tài)反饋為“關(guān)”時(shí)，可視為地源熱泵機(jī)組空調(diào)側(cè)和地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)完全關(guān)閉。

當(dāng)僅有一臺(tái)地源熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)側(cè)回水溫度（T0）仍大于設(shè)定溫度（T2，此溫度可自行設(shè)定）且此時(shí)監(jiān)測運(yùn)行機(jī)組的電流負(fù)載率（或壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)）在25%以下（此值可根據(jù)機(jī)組的IPLV 值進(jìn)行調(diào)整），該狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)一段時(shí)間（可自行設(shè)定），則停止正在運(yùn)行的2#（或1#）地源熱泵機(jī)組及其地源側(cè)配套設(shè)備和閥門。

關(guān)閉順序?yàn)橄韧Ｖ?#（或1#）地源熱泵機(jī)組，待系統(tǒng)收到地源熱泵機(jī)組停止的反饋命令并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，關(guān)閉1#（或2#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)循環(huán)水泵，并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，最后關(guān)閉2#（或1#）地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)的地源側(cè)電動(dòng)閥V11（或V9）。

3.2.5 供熱工況系統(tǒng)關(guān)閉

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，關(guān)閉順序?yàn)橄韧Ｖ沟卦礋岜脵C(jī)組和冷水機(jī)組，待系統(tǒng)收到所有機(jī)組停止的反饋命令并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，關(guān)閉所有循環(huán)水泵，并延時(shí)一段時(shí)間（可自行設(shè)定）后，最后關(guān)閉已開啟的電動(dòng)閥門，待機(jī)組、水泵以及閥門反饋顯示關(guān)閉后，系統(tǒng)視為正常關(guān)閉。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 輔助冷源調(diào)峰技術(shù)

地源熱泵+冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)能源耦合形式，應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分考慮建筑功能使用需求，建議采用專業(yè)軟件對(duì)建筑全年逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)使用要求及能源結(jié)構(gòu)形式。

在制定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行策略初步方案時(shí)，可根據(jù)上述模擬結(jié)果進(jìn)行分析，如在供冷季中期優(yōu)先開啟地源熱泵機(jī)組滿足建筑冷負(fù)荷，當(dāng)建筑冷負(fù)荷需求增大時(shí)也優(yōu)先加載地源熱泵機(jī)組。所有地源熱泵機(jī)組全部開啟且都滿負(fù)荷運(yùn)行，但仍不能滿足建筑冷負(fù)荷需求時(shí)，開啟冷水機(jī)組調(diào)峰，如圖5所示。

圖5 冷水機(jī)組調(diào)峰作用示意圖Fig.5 Schematic diagram of peak regulation function of water chiller

如圖6所示，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)累計(jì)釋熱量Q釋熱遠(yuǎn)大于累計(jì)取熱量Q取熱時(shí)，需通過控制冷水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間τ使冷水機(jī)組承擔(dān)超出的累計(jì)釋熱量，保證地下巖土體冷熱平衡。

圖6 冷水機(jī)組調(diào)平衡作用示意圖Fig.6 Schematic diagram of water chiller balancing function

式中：τ為冷水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；Q釋熱為累計(jì)釋熱量，kWh；Q取熱為累計(jì)取熱量，kWh；EER為冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)；Q制冷為冷水機(jī)組總制冷量，kW。

當(dāng)采用地源熱泵系統(tǒng)作為基載系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)結(jié)合地埋管換熱能力要求，根據(jù)地層溫度和土壤換熱能力等淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件綜合考慮地埋換熱孔的布置要求，結(jié)合建筑全年逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果充分考慮運(yùn)行過程中土壤冷熱平衡問題，避免在長期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)土壤冷熱堆積現(xiàn)象，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。

當(dāng)采用冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)作為輔助能源形式進(jìn)行冷負(fù)荷調(diào)峰使用時(shí)，應(yīng)結(jié)合地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)要求，盡量保證冷水機(jī)組的冷凍側(cè)水流量與地源熱泵機(jī)組空調(diào)側(cè)水流量相近，保證多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)流量衰減影響最小。當(dāng)冷水機(jī)組選型不能滿足要求時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整地源熱泵機(jī)組的設(shè)備組合形式。

4.2 泵組優(yōu)選組合控制

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中水泵常有備用考慮，為保證水泵運(yùn)行節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性最大化，延長設(shè)備使用壽命，當(dāng)系統(tǒng)命令水泵開啟前，運(yùn)行基于累計(jì)時(shí)間的泵組優(yōu)選組合控制，即采集和統(tǒng)計(jì)所有水泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，命令發(fā)出時(shí)優(yōu)先啟用累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較短的水泵設(shè)備。

4.3 機(jī)組雙重條件控制

除常用的溫差/溫度控制法判定機(jī)組加減載標(biāo)志外，增加機(jī)組電流百分比控制法，避免回水溫度達(dá)到加載（減載）的要求，但機(jī)組并未完全出力（完全卸載）的情況。即：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到地源熱泵回水溫度達(dá)到加載設(shè)定值要求且監(jiān)測到機(jī)組電流百分比大于95%并維持一定時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入加機(jī)狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到地源熱泵回水溫度達(dá)到減載設(shè)定值要求且監(jiān)測到運(yùn)行機(jī)組的平均電流百分比小于50%并維持一段時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入減機(jī)狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合地源熱泵+冷水機(jī)組輔冷系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)其不同工況的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行控制需求的深度剖析，提出系統(tǒng)控制點(diǎn)設(shè)定要求進(jìn)而研探出更優(yōu)化、更節(jié)能、更高效的復(fù)合能源系統(tǒng)控制策略；此外，還對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行控制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)梳理，以期為實(shí)現(xiàn)多能耦合系統(tǒng)的智能控制提供詳實(shí)的技術(shù)支撐。