地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置和运行方式

摘要

一种地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置，它包括控制柜、冷却塔、空调冷媒水集水器、空调冷媒水分水器、多个水泵、多个地源热泵机组、土壤源分水器、多个地源井组、多个开关阀、土壤源集水器、若干个温度传感器和若干个流量传感器。一种地源热泵空调系统的运行方式，通过控制柜和一系列流量传感器和温度传感器建立了一套完整的地下温度监控系统，能够根据各地源井组的温度和流量变化合理选择运行的地源井组。控制柜并可以根据地下温度的变化及时调整运行策略，在地下温度没有失衡的前提下最大化的使用地源吸热和放热的能力，在保证不产生地下热污染的前提下，提高了地源热泵空调系统的工作效率并减少了能源的消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及空调领域，尤其是地源热泵空调系统领域，具体是一种地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置。 

本发明还包括一种地源热泵空调系统的运行方式。 

背景技术

地源热泵技术是国家建筑设备节能规范的三大技术措施之一，基本工作原理：夏季热泵机组在生产冷冻水（满足末端用户需要）时将废热排至地下或冷却塔，冬季热泵机组在生产热水（满足末端用户需要）时将废冷排至地下。然而我国各地气候条件不同，建筑物夏季需求的“冷”量与冬季需求的“热”量存在差异，如长江中下游地区建筑物夏季需求的“冷”量是冬季需求的“热”量2倍，如果全部将废热（冷）排至地下长期将会导致地下温度失衡，轻则影响空调运行效果，重则引起地下的热污染。设计师在设计此类型系统时经常通过设置冷却塔（和热回收装置，热回收装置收集的废热主要用于生活热水，此量相对于空调废热量而言较小且调节性能差，本发明装置不考虑其影响）和地源井组并用的措施解决此问题，此措施从空调设备的硬件上初步具备解决此问题的条件，此措施并没有解决冷却塔和地源井组如何合理搭配使用的问题，如冷却塔使用量过大（反之地源井组使用量过小）则没有达到设计地源井组的目的，采用地源井组水冷却热泵机组效率要远大于冷却塔水的效率，且冷却塔需要耗电；如冷却塔使用量过小（反之地源井组使用量过大）则会导致地下温度失衡。 

发明内容

本发明的目的是针对地源热泵空调系统地下热与冷却塔之间工作分配不平衡的现状，提供一种能够实时监控底下温度、并根据地下温度变化实时调控、最优的平衡地下热与冷却塔使用占比的地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置和运行方式。 

本发明的技术方案： 

一种地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置，它包括控制柜、冷却塔、 空调冷媒水集水器、空调冷媒水分水器、多个水泵、多个地源热泵机组、土壤源分水器、多个地源井组、多个开关阀、土壤源集水器、若干个温度传感器和若干个流量传感器，其中 

空调冷媒水集水器的输入端与用户端连接，空调冷媒水集水器的输出端连接一个主管道，该主管道分出多个支路分别同多个地源热泵机组的输入端连接； 

第一个地源热泵机组的输出端通过一个管道与冷却塔的输入端连接，冷却塔的输出端通过管道与该地源热泵机组的输入端连接，构成第一回路； 

所有地源热泵机组的输出端并成一个管道后与土壤源分水器的输入端连接，土壤源分水器的多个输出端分别同地源井组的输入端连接，每个地源井组的输出端分别通过一个开关阀同土壤源集水器的输入端连接，土壤源集水器的输出端分出多个支路分别同地源热泵机组的输入端连接，构成第二回路； 

所述所有地源热泵机组的输出端并成一个管道后与空调冷媒水分水器的输入端连接，空调冷媒水分水器的输出端与用户端连接，构成第三回路。 

在冷却塔的输出端设置冷却塔流量传感器，在土壤源分水器的输入端设置土壤源分水器流量传感器，在土壤源集水器的输出端设置土壤源集水器流量传感器； 

在冷却塔的输入端设置冷却塔输入温度传感器，在冷却塔的输出端设置冷却塔输出温度传感器，在室外设置室外温度传感器，在土壤源集水器的输出端设置土壤源集水器温度传感器，在土壤源分水器的输入端设置土壤源分水器温度传感器，在多个地源井组的输出端分别设置一个地源井组出水温度传感器，在多个地源井组的井下分别设置两个土壤温度传感器； 

所述所有的流量传感器和温度传感器的信号输出端分别同控制柜的信号输入端连接，所述所有开关阀分别同控制柜的信号输出端连接。 

所述控制柜通过RS485接口与机房群控系统连接。 

所述控制柜上设置有操作触摸屏。 

所述地源井组为U型管结构。 

一种地源热泵空调系统的空调系统运行方式，控制柜通过流量传感器检测管道流量，通过土壤温度传感器探测各地源井组土壤的实际温度，通过室外传感器检测室外温度T_外，并将流量和温度信息反馈给机房群控系统；机房群控系统建立数据库记载流量和温度信息；机房群控系统根据管道流量、各地源井土壤的原 始温度、各地源井组土壤的实际温度、室外温度T_外、当前工作模式和当前季节以地下温度没有失衡的前提下最大化的使用地源吸热和放热能力为运行策略来控制空调系统运行。 

所述运行策略包括一个地源热泵机组的选择过程： 

夏季时， 

1）设置温度T_换， 

2）室外温度传感器检测室外温度T_外，机房群控机组判断T_外是否大于T_换， 

3）大于时，机房群控机组启动第一地源热泵机组及冷却塔、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器； 

不大于时，机房群控机组启动第二地源热泵机组、第三地源热泵机组及、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器； 

冬季时，机房群控机组启动第一地源热泵机组、第二地源热泵机组、第三地源热泵机组、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

所述运行策略包括一个T_换的自动修正过程： 

1）地源热泵空调系统在第二年夏季开始前通过所有土壤温度传感器进行地源井组的土壤温度巡检，并根据不同土壤地域情况情设定一个值基准值X℃，从机房群控系统中获得地源井组排热量、地源井组排冷量、上一年度夏季地源井组平均供回水温差的数据值， 

2-1）若全部土壤温度传感器的测量值不大于其土壤原始温度X℃，则本年度的T_换较上一年度增加1℃； 

2-2）若全部土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X/上一年度夏季地源井组平均供回水温差； 

2-3）若超过一半土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X*50％/上一年度夏季地源井组平均供回水温差； 

2-4）若一半以下土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年 度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X*25％/上一年度夏季地源井组平均供回水温差； 

3）本年度冷却塔排热量设定值=上一年度冷却塔排热量设定值+本年度冷却塔排热量增加值。 

所述运行策略包括一个地源井组的选择过程： 

夏季时， 

第i个地源井组的土壤夏季原始温度记为T_夏i，第i个地源井组的两个土壤温度传感器检测该地源井组的实际土壤温度分别记为T_1i和T_2i，选择T_1i和T_2i平均值不大于T_夏i的地源井组待用；机房群控机组选择待用地源井组投入使用， 

冬季时， 

第i个地源井组的土壤冬季原始温度记为T_冬i，第i个地源井组的两个土壤温度传感器检测该地源井组的实际土壤温度分别记为T_1i和T_2i，选择T_1i和T_2i平均值不低于T_冬i的地源井组待用；机房群控机组选择待用地源井组投入使用。 

所述运行策略包括一个地源井组的切换过程： 

夏季时， 

1）机房群控机组监测投入使用的地源井组的实际土壤温度，出现T_1i和T_2i平均值大于标准T_夏i2℃时，机房群控机组关闭温度超标的地源井组同时选择其它待用地源井组投入使用。 

2）当所有地源井组的温度均超标，各个地源井组的T_1i和T_2i平均值均大于标准T_夏i2℃时，机房群控机组启动第一地源热泵机组、第二地源热泵机组、第三地源热泵机组及冷却塔、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器， 

冬季时， 

1）机房群控机组监测投入使用的地源井组的实际土壤温度，出现T_1i和T_2i平均值低于标准T_冬i2℃时，机房群控机组关闭温度超标的地源井组同时选择其它待 用地源井组投入使用。 

2）当所有地源井组的温度均超标，各个地源井组的T_1i和T_2i平均值均小于标准T_冬i2℃时，机房群控机组选择T_1i和T_2i平均值最小的地源井组继续使用并关闭其它地源井组。 

所述运行策略包括一个土壤传感器的故障的自动检测过程： 

1）控制柜通过下式计算各地源井组的出水温度与土壤温度的平均差值M： 

$>M=[\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(T_{1i}+T_{2i})÷2]÷n$>

其中，T_1i和T_2i为第i个地源井组的两个土壤温度传感器，T_i为第i个地源井组的出水温度传感器， 

2）若|T_1i+M-T_i|和|T_2i+M-T_i|中有一项值大于系统误差设定值，控制柜发出报警信号并判定高出值所属的土壤温度传感器为故障传感器；报警信号持续一段时间未作处理，系统自动屏蔽该故障传感器。 

所述运行策略包括一个管路故障自动检测过程： 

根据不同工程环境设计出入地源井组的水流量，比较土壤源分水器流量传感器和土壤源集水器流量传感器数值，当差值高于设计流量的2％以上，则判断地源井组管道破裂，并通过机房群控机组发出管道破裂报警信号； 

根据不同工程环境设定出入地源井组水的温差，比较土壤源分水器温度传感器和土壤源集水器温度传感器数值，当差值高于设定温差的50%以上，则判断地源井组管道阻塞，并通过机房群控机组发出管道阻塞报警信号。 

机房群控系统建立数据库，储存每小时地源井组的排热量或排冷量，以及各地源井组的温度数据。 

本发明的有益效果： 

本发明通过控制柜和一系列流量传感器和温度传感器建立了一套完整的地下温度监控系统，能够根据各地源井组的温度和流量变化合理选择运行的地源井组。控制柜并可以根据地下温度的变化及时调整运行策略，在地下温度没有失衡的前提下最大化的使用地源吸热和放热的能力，在保证不产生地下热污染的前提下，提高了地源热泵空调系统的工作效率并减少了能源的消耗。 

附图说明

图1是本发明的地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置（不包含控制柜）的示意图。 

图2是本发明的控制柜的示意图。 

图3是本发明的机房群控系统的温度数据库显示界面。 

图中标示说明： 

1-空调冷媒水集水器，2-水泵，3-第一地源热泵机组，4-第二地源热泵机组，5-第三地源热泵机组，6-冷却塔，7-土壤源分水器，8-地源井组，9-开关阀，10-土壤源集水器，11-空调冷媒水分水器，12-控制柜，13-机房群控系统，14-操作触摸屏，15-土壤； 

L1-冷却塔输出流量传感器，L2-土壤源分水器流量传感器，L3-土壤源集水器流量传感器； 

T1-冷却塔输入温度温度传感器，T2-冷却塔输出温度传感器，T3-室外温度传感器，T4-土壤源集水器温度传感器，T5-土壤源分水器温度传感器，T6～T10-五个地源井组输出端温度传感器，T11～T20-五个地源井组井下温度传感器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

如图1和图2所示，一种地源热泵空调系统的地下热平衡及换热装置，整个系统包括控制柜12、冷却塔6、空调冷媒水集水器1、空调冷媒水分水器11、三个水泵2、三个地源热泵机组3～5、土壤源分水器7、五个地源井组8、五个开关阀9、土壤源集水器10、二十个温度传感器T1～T20和三个流量传感器L1～L3，其中 

空调冷媒水集水器1的输入端与用户端连接，空调冷媒水集水器1的输出端连接一个主管道，该主管道分出三个支路分别同三个地源热泵机组3～5的输入端连接，在主管道上设置有一个正向水泵2； 

第一地源热泵机组3的输出端通过一个管道与冷却塔6的输入端连接，在该管道上布置有一个正向水泵2，冷却塔6的输出端通过管道与第一地源热泵机组3的输入端连接，构成第一回路； 

三个地源热泵机组3～5的输出端并成一个管道后与土壤源分水器7的输入端 连接，在该管道上设置有一个正向水泵2，土壤源分水器7的五个输出端分别同地源井组8的输入端连接，每个地源井组8的输出端分别通过一个开关阀9同土壤源集水器10的输入端连接，土壤源集水器10的输出端分出三个支路分别同地源热泵机组3～5的输入端连接，构成第二回路； 

三个地源热泵机组3～5的输出端并成一个管道后与空调冷媒水分水器11的输入端连接，空调冷媒水分水器11的输出端与用户端连接，构成第三回路。 

在冷却塔6的输出端设置冷却塔流量传感器L1，在土壤源分水器7的输入端设置土壤源分水器流量传感器L2，在土壤源集水器10的输出端设置土壤源集水器流量传感器L3； 

在冷却塔6的输入端设置冷却塔输入温度传感器T1，在冷却塔6的输出端设置冷却塔输出温度传感器T2，在室外设置室外温度传感器T3，在土壤源集水器10的输出端设置土壤源集水器温度传感器T4，在土壤源分水器7的输入端设置土壤源分水器温度传感器T5，在五个地源井组8的输出端分别设置一个温度传感器T6～T10，在五个地源井组8的井下土壤15中分别设置两个温度传感器T11～T20监视土壤15的温度； 

所有的流量传感器L1～L3和温度传感器T1～T20的信号输出端分别同控制柜12的信号输入端连接，五个开关阀9分别同控制柜12的信号输出端连接。本发明装置的控制与操作由控制柜12中的PLC控制器实现。 

控制柜12通过RS485接口与机房群控系统13连接。 

控制柜12上设置有操作触摸屏14，操作触摸屏14用于数据输入、日常操作和显示。 

地源井组8为U型管结构。 

运行的控制及程序基本工作原理（夏季开始至夏季结束）： 

地源热泵机组选择过程为： 

1）设置温度T_换。 

2）室外温度传感器检测室外温度T_外，机房群控机组判断T_外是否大于T_换。 

3）大于时，机房群控机组启动第一地源热泵机组及冷却塔、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

不大于时，机房群控机组启动第二地源热泵机组、第三地源热泵机组、空调 冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

在一个实施例中，T_换为28℃，采集到T_外为30℃，则机房群控机组启动第一地源热泵机组及冷却塔、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

运行一段时间后，检测到T_外降为28℃，机房群控机组启动第二地源热泵机组、第三地源热泵机组、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

T_换的自动修正过程为： 

1）地源热泵空调系统在第二年夏季开始前通过所有土壤温度传感器进行地源井组的土壤温度巡检，并根据不同土壤地域情况情设定一个值基准值X℃，从机房群控系统中获得地源井组排热量、地源井组排冷量、上一年度夏季地源井组平均供回水温差的数据值。 

2-1）若全部土壤温度传感器的测量值不大于其土壤原始温度X℃，则本年度的T_换较上一年度增加1℃； 

2-2）若全部土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X/上一年度夏季地源井组平均供回水温差； 

2-3）若超过一半土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X*50％/上一年度夏季地源井组平均供回水温差； 

2-4）若一半以下土壤温度传感器的测量值大于其土壤原始温度X℃，则本年度冷却塔排热量增加值=（地源井组排热量-地源井组排冷量）*X*25％/上一年度夏季地源井组平均供回水温差。 

3）本年度冷却塔排热量设定值=上一年度冷却塔排热量设定值+本年度冷却塔排热量增加值。 

在一个实施例中，根据具体的工程环境，将X设定为19.0℃，所有土壤温度传感器的测量值分别为18.5℃、18.6℃、18.8℃、18.5℃、18.6℃、18.9℃、18.8℃、18.7℃、18.4℃、18.5℃，上一年度的地源井组排热量为81600KW?H，地源井组 排冷量为146880KW·H，根据上述分析可知，本年度T_换较上一年度增加1℃。 

地源井组选择过程为： 

第i个地源井组的土壤夏季原始温度记为T_夏i，第i个地源井组的两个土壤温度传感器检测该地源井组的实际土壤温度分别记为T_1i和T_2i，选择T_1i和T_2i平均值不大于T_夏i的地源井组待用；机房群控机组选择待用地源井组投入使用。 

地源井组切换过程为： 

1）机房群控机组监测投入使用的地源井组的实际土壤温度，出现T_1i和T_2i平均值大于标准T_夏i2℃时，机房群控机组关闭温度超标的地源井组同时选择其它待用地源井组投入使用。 

2）当所有地源井组的温度均超标，各个地源井组的T_1i和T_2i平均值均大于标准T_夏i2℃时，机房群控机组启动第一地源热泵机组、第二地源热泵机组、第三地源热泵机组及冷却塔、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

运行的控制及程序基本工作原理（冬季开始至冬季结束） 

地源热泵机组选择过程为： 

机房群控机组启动第一地源热泵机组、第二地源热泵机组、第三地源热泵机组、空调冷媒水集水器、土壤源分水器、地源井组、土壤源集水器、空调冷媒水分水器。 

地源井组选择过程为： 

第i个地源井组的土壤冬季原始温度记为T_冬i，第i个地源井组的两个土壤温度传感器检测该地源井组的实际土壤温度分别记为T_1i和T_2i，选择T_1i和T_2i平均值不低于T_冬i的地源井组待用；机房群控机组选择待用地源井组投入使用。 

地源井组切换过程为： 

1）机房群控机组监测投入使用的地源井组的实际土壤温度，出现T_1i和T_2i平均值低于标准T_冬i2℃时，机房群控机组关闭温度超标的地源井组同时选择其它待 用地源井组投入使用。 

2）当所有地源井组的温度均超标，各个地源井组的T_1i和T_2i平均值均小于标准T_冬i2℃时，机房群控机组选择T_1i和T_2i平均值最小的地源井组继续使用并关闭其它地源井组。 

运行过程中故障的自动检测过程： 

土壤传感器的故障的自动检测过程为： 

1）控制柜通过下式计算各地源井组的出水温度与土壤温度的平均差值M： 

$>M=[\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(T_{1i}+T_{2i})÷2]÷n$>

其中，T_1i和T_2i为第i个地源井组的两个土壤温度传感器，T_i为第i个地源井组的出水温度传感器。 

2）若|T_1i+M-T_i|和|T_2i+M-T_i|中有一项值大于系统误差设定值，控制柜发出报警信号并判定高出值所属的土壤温度传感器为故障传感器；报警信号持续一段时间未作处理，系统自动屏蔽该故障传感器。 

在一个实施例中，系统误差设定值为2，有五个地源井组，共十个土壤温度传感器。地源井组的出水温度分别为：20.1、20.0、20.2、20.5、20.3，土壤温度传感器的温度分别为18.5℃、18.6℃、19.1℃、19.2℃、18.6℃、18.9℃、18.8℃、19.0℃、18.4℃、8.5℃，根据上式计算得出M为2.46，则判断温度传感器有故障，及时排查并屏蔽掉。 

土壤传感器的备份： 

土壤温度传感器存在检修和维护困难，土壤温度是否正常直接影响到空调系统能否正常运行，为求可靠每组地源井组设置二只土壤温度传感器（进行备份），即T11～T10，在以上程序运行过程中取其平均值。 

管路故障自动检测过程为： 

根据不同工程环境设计出入地源井组的水流量，比较土壤源分水器流量传感器和土壤源集水器流量传感器数值，当差值高于设计流量的2％以上，则判断地源井组管道破裂，并通过机房群控机组发出管道破裂报警信号； 

在一个实施例中，出入地源井组的水流量设计为300.0m^3/h，土壤源分水 器流量传感器数值为302.6m^3/h，土壤源集水器流量传感器数值为310.2m^3/h，根据计算得知，所述差值高于设计流量的2%以上，则判断地源井组管道阻塞，并通过机房群控机组发出管道破裂报警信号。 

根据不同工程环境设定出入地源井组水的温差，比较土壤源分水器温度传感器和土壤源集水器温度传感器数值，当差值高于设定温差的50%以上，则判断地源井组管道阻塞，并通过机房群控机组发出管道阻塞报警信号。 

在一个实施例中，出入地源井组水的温差设定为5℃，土壤源分水器温度传感器的数值为18℃，土壤源集水器温度传感器的数值为27℃，根据计算得知，该差值高于设定温度的50％以上，则判断地源井组管道阻塞，并通过机房群控机组发出管道阻塞报警信号。 

数据库的建立： 

机房群控系统建立数据库，储存每小时地源井组的排热量或排冷量，以及各地源井组的温度数据，如图3。