地热—热泵供暖自控系统分析

来源：互联网 2017-03-01 09:26中

1.引言
北京的地热田属于低温热储，地热水的温度在25～90℃之间，地热水中含有大量的热能，通过地热—热泵系统将地热用于供暖具有运行成本低、无污染的优势，并且符合“绿色奥运”的理念。目前北京市政府已把推广地热采暖列为治理首都城市污染的措施之一。
2.工程概述
小区的供暖梯级利用分为三部分，分别为低区散热器供暖、高区地板辐射供暖、低区地板辐射供暖。其中低区散热器供暖来自于一级地热以及辅助热源，高区地板辐射供暖来自于二级地热以及辅助热源，低区地板辐射供暖来自于一级二级地热尾水、热泵提升以及辅助热源。
3.1控制的基本原则
3.1.1最大限度的利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。
在负荷有很大减少后，逐级关停热泵机组和地热井。
3.1.2采用质和量并调的调节方式。
3.1.4采用室外温度补偿动态负荷调节，供暖温度再设定，既可保证住户室温的舒适性又可节省能源。
3.1.6供回水泵、井泵变频控制，根据负荷及尾水排放条件对水泵进行变频控制。
3.1.8地热井就地控制，监控数据远距离传输。
根据各供暖区不同时间的热负荷，实时计算实际的供暖量，与设定值进行比较，确定不同的调节方案。
式中：Q——热负荷；F——流量；tg——供水温度；th——回水温度
低区散热器系统由地热井板换B11和辅助加热板换Bh2直接负责供暖调节。通过测量低区散热器供水温度T11、回水温度T12以及流量值FR2计算出实际的热负荷。当低区散热器采暖热负荷百分比在100～35%范围内变化时，优先减小辅助加热量。当负荷百分比在35%～0%范围内变化时，关闭辅助加热板换Bh2，由地热井板换B11负责供暖调节。低区散热器采暖系统控制原理图见图3.2.1.高区地板采暖系统控制原则与低区散热器采暖控制原则基本相同。
低区地板辐射采暖利用三台热泵机组提升低区散热器和高区地板辐射采暖系统的地热尾水进行供热，实现地热资源梯级利用。负荷百分比在不同的阶段分别投入不同的机组和热交换组合。当负荷百分比在100%～42.8%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵HP满负荷运行，地热板换B2、B3、B4与高温辅助热源板换Bh3一起负责供暖调节，在此范围内负荷减少优先减小Bh3.当负荷百分比在43%～30%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵根据负荷自动调节运行，关闭辅助加热量Bh3.当负荷百分比在30%～15%范围内变化时，开启2口地热井，3台热泵全停，由地热板换B2、B3、B4自动调节供热量。当负荷百分比在15%～0%范围内变化时，开启1口地热井，3台热泵全停，由地热板换B2、B3、B4自动调节供热量。
当室外温度较高，或者其他系统负荷降低，经过一级二级换热后的地热水温度较高，不需要热泵进行提升就能满足低区地板采暖的要求，这时应关闭热泵两侧阀门，打开旁通阀直接进行热交换。如图3.2.2所示，关闭HP2V3、HP2V4阀及热泵一次侧循环泵，打开HP2V1、HP2V2阀，达到节能目的。
在供暖系统二次侧环路，采用分阶段变流量的量调节方式，在不同的供暖负荷需求期，改变供热循环水量以适应负荷的变化，同时辅以变供水温度的质调节方式，对于室外温度高于某一值，热负荷需求较小的供暖时期，不采用变流量的量调节方式，而采用变供水温度的质调节方式，供暖流量设定为保证供暖系统稳定运行的流量值，这样可以保证在整个供暖周期内系统平稳的运行。
3.4多参数、多工况判断切换不同的供暖工况
3.5一次侧电动蝶阀的控制
3.6预测控制
为了进一步降低运行成本，可以引入预测机制。首先根据天气预报资料预测未来24小时系统所需热负荷，利用该数值对系统未来24小时的运行工况进行预估，在保证满足供热需求和室内舒适度的前提下，综合考虑低谷电价时段、停电时段、设备运行效率等因素，进行优化计算，调整温度设定值，尽量在低谷电价时段输出热量。优化计算时，有两种方案，一种只考虑系统稳态特性和室外平均温度预测值；另一种是在设备高效运行前提下，利用预测的室外温度瞬态值和系统动态热特性数学模型采用最小二乘法寻优使所需热量得到最优化分配。
夏季，由于没有供热，地热水仅用于生活洗浴，打开相应阀门，地热原水可直接通过增压泵进入水处理设备，然后进入生活热水箱。若水箱出水温偏高，则加入自来水，使生活用水温度保持在65℃左右。根据供水温度与设定值的差，开闭自来水电磁阀，控制水箱温度。
一般寒冷阶段供热需求相对严寒阶段较少，地热尾水温度高于设定值，除满足供暖的需求外，还可部分满足生活用水，此时尽可能多的利用地热原水提供生活用水。生活用水一部分采用地热原水，一部分采用地热尾水，混合后经增压泵进入水处理设备，再经辅助加热板换控制到设定温度后，进入生活热水箱。
若经过梯级利用后地热水的尾水温度仍大于合理排放的温度时，说明系统所需热负荷很小，应调整井泵变频，减小地热水水量，科学合理地使用地热资源。
3口地热井距离中央监控室很远，距离约500m，其余2口井各自距离约1500m，设在地热井的监控数据要传输到中央监控系统，无论使用常规的双绞线还是无线通讯方式进行数据传输，需要在通讯网络中增加很多通讯中继器，安装敷设或是维护都比较困难。将地热井监控数据可靠、稳定的传输到中央监控计算机，关系到管理人员对整个系统的实时控制。可考虑选用光纤作为通讯电缆，光纤作为通讯介质具有传输距离远（ 1500m）、数据传输稳定、快速等优点。
4.1根据系统工艺设备配置和负荷需求，划分多个工况，最大限度的梯级利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。同时合理分配系统水量，保证生活用水。
4.3引入预测机制，采用多种调节方式，对多种热源、换热设备等进行资源总体优化控制，最大限度降低运行成本。