基于调峰蓄能的地源热泵空调系统装置及其调控运行方法

摘要

本发明公开了一种基于调峰蓄能的地源热泵空调系统装置及调控运行方法。具体分为系统部件的连接结构和运行控制模式两部分。蓄能箱进、出口管线分别接有温度传感器、电磁阀、变频水泵、电磁流量计以及集水器等。蓄能箱进、出口管线间并联接有2组水源热泵机组；出口管线与分水器之间并接3组变频水泵；压差变送器并联接于N组风机盘管的进、出端。可编程控制器的信号线束分别接于变频水泵、水源热泵机组、两个电磁流量计、三个温度传感器和压差变送器。调控运行模式包括3部分：系统蓄能启停时间确定；蓄能装置调峰放能启停时间确定；过渡季节蓄放能调控。系统组成配置一套智能控制的运行方案，可大幅消减高峰时段的负荷率，降低运行费用12％左右。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑空调系统，具体涉及利用分时电价进行蓄能的地源热泵空调运行 及控制系统。

背景技术

众所周知，现代建筑的中央空调系统是能耗大户，其电耗一般占整个建筑物用电 负荷的40％～60％，尤其是夏季的能耗还有不断上升的趋势，给城市的供配电带来了 沉重的压力。对于许多写字楼类建筑的中央空调来说，具有使用时间集中、季节性负 荷大的特点，加重了电网负荷用电高峰与低谷相差较大的矛盾。夏季空调用电高峰期， 占城市总用电负荷的30％～40％左右，华南地区竟高达50％以上。

对于大型建筑来说，其空调系统的负荷和装机容量确定以后，系统节能的关键在 于运行控制以及设备的选择，这将影响到系统长期运行的经济性。目前的中央空调系 统大多沿用传统的人工管理方式与简易开关控制设备，由于缺乏先进的控制运行技 术，欲实现空调载冷(热)流体流量跟随末端负荷的变化而动态调节则非常困难，尤 其在峰谷用电负荷不匹配时造成能源的浪费以及高额的运行成本。这使我国建筑用能 效率低下，单位建筑能耗比同等气候条件下的发达国家高出2-3倍。为了缓解用电高 峰与用电低谷不平衡问题，国家实行分时(白日为高峰电价；夜间为低谷电价，二者 相差巨多)电价政策，鼓励低谷时段用电。据此众多单位采用了冰蓄冷技术，即：夜 间将蓄冷介质进行冻结，白天释放用于空调制冷。问题在于投入冰蓄冷设备以后，没 有从运行技术与控制模式方面对能量利用率以及运行费用进行优化设计。因此提出一 种合理的运行与控制技术，提高系统各部分设备的能源利用率，可实现真正有效的节 能。这是目前建筑节能急需解决的关键问题，在空调节能领域具有非常重要的意义。

发明内容

针对目前冰蓄冷空调系统运行现状所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种 基于调峰蓄能的地源热泵空调系统及其调控运行方法。

以下结合附图对本发明的技术原理进行说明。基于调峰蓄能的地源热泵空调系 统，包括蓄能箱、温度传感器、电磁阀、变频水泵、电磁流量计、水源热泵机组、地 埋管换热器、压差变送器、风机盘管、集水器、分水器以及可编程控制器等。本发明 分为系统部件的连接结构和运行控制模式两部分。

各部件组成结构：蓄能箱出口管线依次串接第一温度传感器、电磁阀、变频水泵、 第一电磁流量计以及第二温度传感器；蓄能箱进口管线依次串接电磁阀、第三温度传 感器、第二电磁流量计以及集水器。蓄能箱进、出口管线间并联接有2组水源热泵机 组。地埋管换热器供回水管线与变频水泵及水源热泵机组中的蒸发器(冬季)或冷凝 器(夏季)串接；蓄能箱出口管线与分水器之间并接3组变频水泵；压差变送器并联 接于N组风机盘管的进、出端。分水器与集水器之间通过电磁阀连接；分水器出口 与风机盘管进口连接；集水器进口与风机盘管出口连接。可编程控制器的信号线束分 别接于变频水泵、水源热泵机组、两个电磁流量计、三个温度传感器和压差变送器。

系统调控运行模式包括3部分：

(1)系统蓄能启停时间确定

系统稳定运行时，可编程控制器中的数据采集设备将当日与前两日末端所有空 调房间N组风机盘管总供回水流量、温度以及各房间空气平均温度、湿度数据进行 采集存储；对次日空调房间逐时负荷q(τ)进行模拟预测；计算次日建筑负荷高峰段需 求量Q。由节省运行费用函数$F_{\max }={\int }_0^t{P}_2\left(\tau \right)·(\frac{{\mathrm{COP}}_2\left(\tau \right)}{{\mathrm{COP}}_1\left(\tau \right)}·f_1-f_2)\mathrm{d\tau }$计算，取得最大值， 确定蓄能所需时间段时长t。

其中f₁为高峰时电价；f₂为低谷时电价。COP₁(τ)为空调时段机组性能系数； COP₂(τ)为蓄能时段机组性能系数。P₂(τ)为蓄能时段热泵机组功率。m₁为当地低谷 时电价的开始时间；m₂为当地低谷时电价的结束时间。当m₂-m₁≥t时，系统蓄能启 动时刻为m₂-t，停止时刻为m₂；当m₂-m₁＜t时，蓄能启动时刻为m₁，停止时刻 为m₂。

(2)蓄能装置调峰放能启停时间确定

由可编程控制器中的数据采集设备逐时采集风机盘管总冷冻供水、冷冻回水温 度、流量，确定此时建筑所需负荷q′(τ)。若水源热泵机组额定负荷为q₀，当满足条 件q′(τ)≥nq₀、冷冻回水温度超过12℃、环境温度超过T时，蓄能装置放能启动，与 水源热泵机组共同承担此时建筑所需负荷。蓄能箱进口水温为T₁、出口水温为T₂，当 T₂≥T₁或冷冻水总回水温度超过12℃时，停止放能，由水源热泵机组独立运行承担。 n为比例常数，依热泵机组的应用情况而定，参考值85％～95％，设建筑负荷峰值系 数为1，T为建筑负荷系数超过0.9时的环境温度。

(3)过渡季节蓄放能调控

过渡季节建筑峰值负荷若进入高峰时电价时段，关闭水源热泵机组，启动蓄能 装置独立运行。直到蓄能箱出口温度T₂夏季高于12℃、冬季低于35℃时，停止蓄能 装置运行，开启水源热泵机组独立运行。

信息采集模块先通过温湿度传感器、电阻式温度传感器、压差变送器、电磁流量 传感器等对各个关键部分进行实时数据收集，然后将采集的数据进行A/D转换同时 传递给负荷预测模块和优化计算模块，此时预测模块对未来数据进行预测，得到的预 测数据再传回优化计算模块；优化计算模块对来自负荷预测模块与信息采集模块的预 测数据与实际数据进行优化计算后得到合理的输出传给决策模块，决策模块将这些输 出与预先设计的规则库对比做出决策，最后决策方案传递给信息输出模块进行相应的 D/A转换后将实际控制量送给执行机构进行执行，同时执行的结果又被各种传感器反 馈给优化与决策中心进入下一次优化与调节，最终通过这种循环控制来实现期望的调 峰减费运行模式。

本发明的特点及产生的积极效果在于，系统组成配置一套智能控制的运行技术方 案，可以大幅消减高峰时段的负荷率，降低运行费用20％左右。与现有技术相比，产 生的有益效果是：

(1)通过控制运行方案，充分利用低谷电时间段进行最大的蓄能，力求在高峰段 尽量充分得到利用，缓解了夏季最热与冬季最冷时段的用电费用，同时减少电网负荷。

(2)该运行方案需要的调节单元少，主要集中在核心算法与数据采集上，有利于 对于目前的空调系统的技术改造。

(3)运行管理模式简单，控制精准度高，而且容易操控。

(4)由于蓄能装置的辅助，使地源热泵空调系统运行负荷平稳，消除因气候变化 带来的超负荷运行，提高了能源利用效率。

附图说明

图1为本发明系统部件组成原理结构简图。

图2为蓄能箱结构简图。

图3为控制方案逻辑运行说明图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明做进一步的说明。需要说明的是，本实施例 是叙述性的，不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。

基于调峰蓄能的地源热泵空调系统装置，如图1所示：蓄能箱4出口管线依次串 接第一温度传感器8-1、电磁阀7、变频水泵1、第一电磁流量计3-1以及第二温度传 感器8-2；蓄能箱4进口管线依次串接电磁阀7、第三温度传感器8-3、第二电磁流量 计3-2以及集水器11。蓄能箱4进、出口管线间并联接有2组水源热泵机组2，地埋 管换热器5供回水管线与变频水泵1及水源热泵机组2中的蒸发器(冬季)或冷凝器 (夏季)串接。蓄能箱4出口管线与分水器10之间并接3组变频水泵1；压差变送 器9并联接于N组风机盘管6的进、出端；分水器10与集水器11之间通过电磁阀 连接；分水器10出口与风机盘管6进口连接；集水器11进口与风机盘管6出口连接。 可编程控制器12的信号线束分别接于变频水泵1、水源热泵机组2、两个电磁流量计 3-1～3-2、三个温度传感器8-1～8-3和压差变送器9。

基于调峰蓄能的地源热泵空调系统调控运行的方法，包括以下步骤过程：

(1)系统蓄能启停时间确定

系统稳定运行时，可编程控制器中的数据采集设备将当日与前两日末端所有空 调房间N组风机盘管总供回水流量、温度以及各房间空气平均温度、湿度数据进行 采集存储；对次日空调房间逐时负荷q(τ)进行模拟预测；计算次日建筑负荷高峰段需 求量Q。由节省运行费用函数$F_{\max }={\int }_0^t{P}_2\left(\tau \right)·(\frac{{\mathrm{COP}}_2\left(\tau \right)}{{\mathrm{COP}}_1\left(\tau \right)}·f_1-f_2)\mathrm{d\tau }$计算，取得最大值， 确定蓄能所需时间段时长t。

其中f₁为高峰时电价；f₂为低谷时电价。COP₁(τ)为空调时段机组性能系数； COP₂(τ)为蓄能时段机组性能系数。P₂(τ)为蓄能时段热泵机组功率。m₁为当地低谷 时电价的开始时间；m₂为当地低谷时电价的结束时间。当m₂-m₁≥t时，系统蓄能启 动时刻为m₂-t，停止时刻为m₂；当m₂-m₁＜t时，蓄能启动时刻为m₁，停止时刻 为m₂。

(2)蓄能装置调峰放能启停时间确定

由可编程控制器中的数据采集设备逐时采集风机盘管总冷冻供水、冷冻回水温 度、流量，确定此时建筑所需负荷q′(τ)。若水源热泵机组额定负荷为q₀，当满足条 件q′(τ)≥nq₀、冷冻回水温度超过12℃、环境温度超过T时，蓄能装置放能启动，与 水源热泵机组共同承担此时建筑所需负荷。蓄能箱进口水温为T₁、出口水温为T₂，当 T₂≥T₁或冷冻水总回水温度超过12℃时，停止放能，由水源热泵机组独立运行承担。 n为比例常数，依热泵机组的应用情况而定，参考值85％～95％，设建筑负荷峰值系 数为1，T为建筑负荷系数超过0.9时的环境温度。

(3)过渡季节蓄放能调控

过渡季节建筑峰值负荷若进入高峰时电价时段，关闭水源热泵机组，启动蓄能装置独 立运行。直到蓄能箱出口温度T₂夏季高于12℃、冬季低于35℃时，停止蓄能装置运 行，开启水源热泵机组独立运行。

蓄能箱的蓄能效果直接影响到系统的运行费用，蓄能箱设计成图2所示的分层结 构，箱内设置四块挡板使冷冻水沿指定方向流动来增强冷热水在蓄放过程中的分层效 果；图2中X表示装置端面距第一块挡板的垂直距离，Y表示装置端面距第三块挡 板的垂直距离、Z表示构成狭缝的第一块挡板与第二块挡板间垂直距离、M表示挡板 的垂直高度，四块挡板几何尺寸一样。可编程控制器的测控系统流程如图3所示，具 体数据由带触摸式显示屏实时显示。

实施例建筑面积共120m²，夏季冷负荷约9kW，冬季热负荷约6kW。配套地源 热泵系统总功率为3.2kw，系统配置风机盘管FP-34型6台(N＝6)，单台额定制冷量 1800w。按照常规空调模式，夏季空调时间3个月，冬季供暖时间4个月，系统每天 平均运行时间10小时，夏季耗电量约1728度，冬季耗电量约1920度。根据天津市 商业用电峰时电价为1.213元/度；谷时电价为0.393元/度。对于常规地源热泵空调系 统，运行时间段处于高峰时间段，年运行费用约4425元。而利用本发明系统，通过 调峰蓄能运行控制后，蓄放能时间比：冬季为6/5；夏季为4/3，全年运行费用约3897.2 元。节约运行费用：527.8元/年，可实现节约12％左右的空调系统运行费用。