智能建筑中水源热泵系统技术探讨

1、智能建筑中水源热泵系统技术探讨-许世伟(*) 作者：许世伟  张春辉   刘文涵  秦晓东 摘要:本文分析了水源热泵系统的组成及工作原理，介绍了集散型控制系统的技术基础，进一步研究了基于分布式控制的水源热泵空调集散型控制系统。0引言世界各国的能源消耗中，以热能消耗量为最大。在一次能源变成热能再转换成各种形式能量的过程中，超过一半的能量以排气、蒸汽、低温热水(100以下)等排热形式损失掉。如何利用这些热源成了人们亟待解决的问题，也为水源热泵的应用创造了很好的条件。随着技术的发展和成熟，水源热泵越来越显示出其在供暖制冷领域独特优势。水源热泵系统是以地下水为低

2、温热源，以水为传热介质，采用蒸汽压缩热泵技术进行供热、空调或加热生活热水的热泵系统。作为冷热源的地下水是埋藏于地下30米滞水层的非饮用水，其水温具有恒定性，一般在5-20（沈阳地区一般在12左右）。有关实验数据表明，水源热泵的能效比一般可达到1:4左右，即消耗lKW的电能（或其它能量）可以得到（或吸收）4KW的热量。经核算表明，尽管地下水源热泵系统的工程施工费用较大，但其运行费用大大低于燃煤取暖费用，还低于燃气、燃油、电锅炉等供热（制冷）方式。1水源热泵系统组成1.1水源热泵系统工作原理热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以挖掘，提高温度进行利用。而整个

3、热泵装置所消耗的功仅为供热量的1/3或更低，这是热泵节能的关键所在。水源热泵系统的运行过程是一个将热量进行转移的过程。制热过程工作原理是:压缩机压缩和输送循环工质从低温环境到高温环境，蒸发器使制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，冷凝器把吸收的热量输出到热量接受装置中，膨胀阀的作用是对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量，其制热运行过程如图一所示。制冷过程与制热过程类似，其原理是压缩机压缩和输送循环工质从高温环境到低温环境，蒸发器使制冷剂液体蒸发，冷凝器把吸收的热量输出到高温环境中，通过循环装置将热量带入地下。1.2水源热泵系统组成水源热泵系统主要由以下几个部分组成，如图

4、二所示。(1)水源热泵机组它是水源热泵空调系统的制冷（热）源，通过各个房间循环水由热泵机组进行内部交换。(2)制冷剂循环系统制冷剂循环系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀四大部件组成。压缩机是最主要的部件，是热传导的动力源。它的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。它的主要技术参数是输入功率，这个参数与热泵机组的制冷量与供热量有很大关系。根据热泵机组制冷量与制冷效果的需要，机组可以使用两个或两个以上压缩机或压缩机组。在制冷量需求不大时可以使多个压缩机轮换工作，有利于延长压缩机的使用寿命以及增强系统的稳定性，在某个压缩机出现故障时不至于马上使热泵机组停止工作

5、。膨胀阀也叫节流阀，它是水源热泵的控制部件，决定了系统的蒸发压力和冷凝压力。膨胀阀用来解除液态制冷剂的压力，使制冷剂从冷凝器中出来后节流降压，然后在蒸发器中膨胀变成蒸汽吸热，它是维持冷凝器中为高压、蒸发器为低压的重要部件。膨胀阀在系统中还有以下作用:根据系统设置过冷度和制冷工况准确控制流入蒸发器的制冷剂的流量;停机时快速平衡系统高低压力。蒸发器是吸收热量的设备，制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给制冷剂带走。(3)蒸发器侧水系统主要由热泵的蒸发器和循环水泵组成。自然界中的水源经循环水泵送至热泵的蒸发器，在蒸发器

6、中与低温低压的液态制冷剂进行热交换，放出热量，温度降低，流回自然界的水体中。(4)冷凝器侧水系统主要由热泵的冷凝器和循环水泵组成。系统中的循环水由循环水泵送至热泵的冷凝器，在冷凝器中与高温高压的气态制冷剂进行热交换，吸收热量，温度降低，然后流回空调房间。(5)风机盘管风机盘管中安装于所需要降温的房间内，用于将冷冻水冷却了的（或加热了的）的空气吹入房间加速房间内的热交换。(6)水泵经水泵和回灌泵也称上水泵和下水泵，分别用来抽取地下水和将使用过的地下水进行回灌，使地下水形成循环。经水泵和回灌泵分别安装在取水井和回港井中，使用过的地下水必须要进行回灌，否则会出现地面沉降的现象，而且最好在回灌前对回灌

7、水进行监测或处理，确保回灌水对地下水没有污染。循环水泵驱动用户端循环水在热交换器内的流动，以不断地给用户带来或带走热量。相关附属部件包括干燥过滤器、压力控制器、气液分离器、单向阀等，它们都是为了提高运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。2水源热泵计算机控制系统2.1集散型控制系统在水源热泵系统中的应用由于水源热泵系统工程一般包括地下水系统、制冷机房冷热水系统、补水系统和末端空调机系统四个部分。螺杆式水-水热泵机组、冷热水循环泵、提水泵及补水泵等设备需要控制监测，它们布置比较分散，需要监控的点位较多。常用水源热泵系统结构和控制技术主要采用的是基于分布式控制理论的水源热泵空调集散型控制系统。集散控

8、制的基本思想是分散控制、集中管理、功能分级设置、配置灵活、组态方便。集散控制系统具有高度集中的显示操作功能，操作灵活、方便可靠，具有完善的系统控制功能，可以实现多种复杂的控制方案。2.2控制系统结构基于直接数字控制DDC控制器的水源热泵集散控制系统结构分为三个部分:管理级、控制级和现场级，其系统控制结构如图三所示。现场级主要由各类变送器等输入装置、执行器等输出装置组成，负责现场数据采集、设备状态反馈和控制命令的执行;控制级主要由现场控制器和控制网络组成，每个控制器负责单台（或几台）机组或某些区域设备控制，它接受变送器监测或设备状态的反馈，依据控制方案软件，做出设备在特定时间内的启动或停止命令并

9、发送，控制器同时将采集的数据、设备运行状态、报警信息等通过控制网络通信发送到中心计算机;管理级主要指中心计算机及外围设备，它通过接受到现场控制器的数据对现场控制过程进行集中监视、数据处理和进行管理，系统管理员可通过中心计算机对现场控制设备进行预定时间表设置、对设备运行的历史数据进行查询、制作报表打印，对报警信息进行及时处理，必要时可通过中心计算机对现场设备进行远程启/停控制。这种控制方法可以根据负载情况调节井水泵的功率，节约了地下水资源，降低了井水泵的能耗;减轻了开放式水源热泵系统中的回灌压力;降低了压缩机的启停频率，延长了机组的使用寿命。3结束语水源热泵兼有供冷和供热的功能:在夏季，通过将空

10、调房间的热量取出，放热给低温水源，进行制冷;冬季则吸收高温水源的热量，放热给用户，进行供热。水源热泵工作中需要少量的高位电能输入。由于水源热泵能够合理地应用一定的高位能源，并把储藏丰富但不利于使用的低位热能转变为高位能源加以利用，从而达到节约高位能源的目的。因此，水源热泵的应用对合理的利用和节约能源有重要的意义，符合国家的产业政策，在全国范围内得到了广泛的推广和应用。参考文献1王庆鹏，毕月虹，贾衡.地源热泵应用研究内容的系统性J.节能环保,2005,(9):25-28.2傅允准,林豹，张旭.变频技术在地下水源热泵系统中的应用J.沈阳建筑大学学报（自然科学版）,2005,21(3):250-253.3丁国良，张春路等.制冷空调装置智能仿真方法研究初探J.制冷学报,1998（,2）:10-14.4赵黎丽.两种人工智能方法应用于地热热泵系统辨识J