地热—热泵供暖自控系统分析

1.引言

　　进入21世纪，能源与环境问题成为人类迫切需要解决的大问题，它直接影响到全球生态平衡和人类的可持续发展。由于能源短缺以及传统不可再生燃料使用所产生的严重环境污染问题，使人们探索诸如太阳能、生物质能、风能、海洋能、氢能、核能等新能源的热情不断增加，地热能作为一种具有广阔开发前景的新能源也日益受到关注。我国是一个人口众多、资源相对贫瘠的大国，地热资源是可再生利用的清洁能源，既节约了宝贵的不可再生能源，又可改善环境取得生态效益及经济效益。

　　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。

　　地热资源要科学合理的使用才能保证资源的充分利用和其可再生性，本文主要针对北京某小区地热－热泵供暖自控系统进行分析，提出波动调节及预估控制，限度充分梯级利用地热资源并保证尾水合理使用及回灌。

　　2.工程概述

　　该小区位于北京北部，建筑面积40万平米，其中住宅34.6万平米，配套用房5.5万平米，是绿色奥运试点工程。小区共有五口1000米深地热井，其中两口抽水井，两口回灌井以及一口备用井。出水温度68℃，供水量为150吨/小时。总供热量为25000KW，其中地热供热能力为4012KW，地热－热泵供热能力为5988KW，其余由小区辅助热源燃气锅炉提供。采用热泵技术将地热水梯级利用到18℃，提供小区供暖，尾水部分提供生活用水，部分排放到回灌井，限度的利用和保护地热资源。

　　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.地热—热泵供热系统的控制方案

　　3.1控制的基本原则

　　由于系统比较复杂，要保证系统稳定、高效、合理、节能的运行，控制方案必须遵循如下原则：

　　3.1.1限度的利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。

　　在负荷变小时，优先减少辅助加热量。

　　在负荷有很大减少后，逐级关停热泵机组和地热井。

　　在负荷较小时，关停了热泵机组后，地热井不能满足供热负荷需求时，再开启辅助加热系统。

　　3.1.2采用质和量并调的调节方式。

　　3.1.3 多参数、多工况判断切换不同的供暖工况。

　　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。

　　3.1.5采用模型预测控制及最小二乘优化算法，考虑气象预报、电价计费等因素，使得舒适度、运行成本两方面都达到化。

　　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。

　　3.1.7分季节、分时间控制生活热水系统，在保证不同负荷的用水量下，限度降低运行能耗。

　　3.1.8地热井就地控制，监控数据远距离传输。

　　3.2供热负荷调节与控制

　　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。

　　负荷计算公式：

　　式中： Q——热负荷；F——流量；tg——供水温度；th——回水温度

　　3.2.1低区散热器系统负荷控制

　　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。