CN113483504A - 一种土壤源热泵及冷却塔复合***以及该复合***的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤源热泵及冷却塔复合***，按照管路流通顺序依次包括地埋管、热泵机组、风机盘管、冷水机组以及冷却塔；还包括有控制器。本发明引入制冷机组作为辅助冷源，冷却塔作为辅助散热源，地埋管、热泵机组可间歇运行，有利于土壤温度的恢复；通过***的全年模拟，设定冷却塔启停温度，确定热泵机组高效运行的土壤温度区间，保证冷却塔与热泵机组始终高效率运行，可提高***的运行能效；维持了土壤全年热平衡，解决了土壤源热泵在夏热冬冷、夏热冬暖地区使用时，夏季冷负荷远大于冬季热负荷，土壤的得热量大于排热量，土壤温度逐年升高的问题，保证了***运行的高效与节能。

Description

一种土壤源热泵及冷却塔复合***以及该复合***的优化控 制方法

技术领域

本发明属于地源热泵空调技术领域，具体设计一种土壤源热泵及冷却塔复合***，以及该复合***的优化控制方法。

背景技术

近年来，土壤源热泵利用地热这一可再生能源可实现节能减排的目标，且高效环保，在国内外均得到了广泛的研究与应用。但是土壤源热泵在夏热冬冷、夏热冬暖地区使用时，由于夏季冷负荷远大于冬季热负荷，导致土壤的得热量大于排热量，土壤温度逐年升高，严重影响热泵的性能，即土壤热失衡现象。

而在地源热泵***中加入冷水机组与冷却塔，在夏季可同时运行两***为室内供冷，在冬季则可仅采用地源热泵***为室内供热。此复合式***可以使得土壤的得热量减小，较好地解决土壤热失衡问题。

针对该***，冷却塔的常用控制方案是在固定时间启停。但是此控制方案并不能保证冷却塔一直处于高效运行状态，也无法较为精确地控制全年向土壤取放热量的热平衡。而随着土壤温度的升高，冷凝温度升高，热泵机组的制冷能力下降。此外，夏季***运行时，热泵机组与冷水机组的负荷分配与控制也是一个问题。

针对地埋管加冷却塔得地源热泵复合***的控制问题，已经有了一些专利，如申请号CN201210367360.6名为地埋管及冷却塔地源热泵复合***的控制***及方法。该专利以热泵冷凝器出口流体温度与大气湿球温度之差为主要控制变量，以热泵冷凝器入口流体温度为辅助控制变量，通过优化控制冷却塔的启停，使其与地埋管换热器配合实现地源热泵复合***的节能运行，并保证地下环境全年的冷热负荷平衡。

申请号CN201610345505.0名为一种地源热泵***及冷却塔的启停控制方法的发明专利。该专利根据地源侧主机进水温度与室外空气湿球温度之差，控制冷却塔和地埋管与地源热泵主机的开启与关闭。该控制方法能使***运行后土壤温度几乎维持不变，保证了地源热泵***运行的高效性和节能性。

以上两种控制方法的控制变量较多，只有冷却塔这一辅助散热设备，未引入冷水机组作为辅助冷源，与本申请中的复合式***结构、运行模式均不相同。且本申请中的控制方法可对***的全年动态模拟，得到热泵机组能效处于较高水平热时的土壤温度，不断调整冷却塔的启停温度从而使能效提高。

因此，针对以上问题研制出一种能够维持高能效，并且能够维持土壤热平衡的***及控制方法是本领域技术人员所急需解决的难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种土壤源热泵及冷却塔复合***以及该复合***的优化控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种土壤源热泵及冷却塔复合***，按照管路流通顺序依次包括地埋管、热泵机组、风机盘管、冷水机组以及冷却塔；还包括有控制器；

热泵机组的地源侧入口通过地源侧循环水泵与地埋管相连，地源侧出口通过管路回流至地埋管，热泵机组的冷却侧出口依次通过冷冻水循环水泵以及风机盘管流入阀门流入风机盘管；

风机盘管的出口通过风机盘管流出阀门连通至冷水机组的盘管侧入口以及热泵机组的冷却侧入口；

冷水机组的盘管侧出口通过管路回流至风机盘管，冷水机组的冷却侧出口通过冷却水循环水泵与冷却塔的入口相连，并且冷却塔的出口还通过管路回流至冷水机组的冷却侧入口；

控制器分别与地源侧循环水泵、热泵机组、冷冻水循环水泵、风机盘管、冷却塔、冷水机组以及冷却水循环水泵相连。

进一步地，还包括有水箱；水箱的出口通过管路与地埋管相连通。

进一步地，冷水机组的盘管侧出口通过管路回流至冷冻水循环水泵与风机盘管流入阀门之间的管路。

进一步地，冷水机组的盘管侧出口处安装有冷水机组冷冻水循环水泵。

进一步地，该复合***的优化控制方法为：

通过环境工况进行全年动态模拟，得到热泵机组高效运行的土壤温度区间；通过调节控制冷却塔启停的环境湿球温度，使热泵机组进入该土壤温度区间；再通过改变控制温度，保持土壤热平衡。

进一步地，该复合***的优化控制具体方法如下：

步骤1、通过环境工况进行全年动态模拟，得到热泵机组的能效处于高水平热时的土壤温度区间；

步骤2、根据制冷或者制热的需求，开启风机盘管，通过控制器对热泵机组、冷冻水循环水泵、冷却塔、冷水机组、冷却水循环水泵以及冷水机组冷冻水循环水泵的启停进行控制；

步骤3、通过控制器调整冷却塔的启停温度，保证土壤热平衡。

进一步地，步骤2的具体方法如下：

（2-1）、当土壤源热泵及冷却塔复合***的功能为制热时，开启地源侧循环水泵、热泵机组、冷冻水循环水泵以及风机盘管，不开启冷却塔、冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并结束步骤2；否则跳转（2-2）

（2-2）、通过控制器设定冷却塔的启停温度为T1，开启风机盘管，当环境湿球温度小于T1，启动冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并进入（2-3），否则启动热泵机组、地源侧循环水泵、冷冻水循环水泵，并跳转（2-4）。

（2-3）、当冷水机组无法满足末端负荷需求时，启动热泵机组、地源侧循环水泵、冷冻水循环水泵，并结束步骤2。

（2-4）、当热泵机组无法满足末端负荷需求时，启动冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并结束步骤2。

进一步地，环境工况包括建筑的负荷特性、气象参数以及***的运行参数。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、引入制冷机组作为辅助冷源，冷却塔作为辅助散热源，地埋管、热泵机组可间歇运行，有利于土壤温度的恢复；

2、通过***的全年模拟，设定冷却塔启停温度，确定热泵机组高效运行的土壤温度区间，保证冷却塔与热泵机组始终高效率运行，可提高***的运行能效；

3、维持了土壤全年热平衡，解决了土壤源热泵在夏热冬冷、夏热冬暖地区使用时，夏季冷负荷远大于冬季热负荷，土壤的得热量大于排热量，土壤温度逐年升高的问题，保证了***运行的高效与节能。

附图说明

图1、本发明中复合***的结构示意图；

图2、本发明中复合***的优化控制方法流程图。

附图标记列表：地埋管1、热泵机组2、风机盘管3、冷水机组4、冷却塔5、控制器6、地源侧循环水泵7、冷冻水循环水泵8、风机盘管流入阀门9、风机盘管流出阀门10、冷却水循环水泵11、冷水机组冷冻水循环水泵12、水箱13。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示为本发明中复合***的结构示意图，本发明为按照管路流通顺序依次包括地埋管1、热泵机组2、风机盘管3、冷水机组4以及冷却塔5。

其中的热泵机组2的地源侧入口通过地源侧循环水泵7与地埋管1相连，地源侧出口通过管路回流至地埋管1，热泵机组2的冷却侧出口依次通过冷冻水循环水泵8以及风机盘管流入阀门9流入风机盘管3；风机盘管3的出口通过风机盘管流出阀门10连通至冷水机组4的盘管侧入口以及热泵机组2的冷却侧入口；冷水机组4的盘管侧出口通过管路回流至风机盘管3，冷水机组4的冷却侧出口通过冷却水循环水泵11与冷却塔5的入口相连，并且冷却塔5的出口还通过管路回流至冷水机组4的冷却侧入口；冷水机组4的盘管侧出口通过管路回流至冷冻水循环水泵8与风机盘管流入阀门9之间的管路，冷水机组4的盘管侧出口处安装有冷水机组冷冻水循环水泵12。

还包括有控制器6；控制器6分别与地源侧循环水泵7、热泵机组2、冷冻水循环水泵8、风机盘管3、冷却塔5、冷水机组4以及冷却水循环水泵11相连。

还包括有水箱13；水箱13的出口通过管路与地埋管1相连通。

该复合***的优化控制方法为：

通过环境工况进行全年动态模拟，得到热泵机组高效运行的土壤温度区间；通过调节控制冷却塔启停的环境湿球温度，使热泵机组进入该土壤温度区间；再通过改变控制温度，保持土壤热平衡。

如图2所示，该复合***的优化控制具体方法如下：

在地埋管1的进出口，热泵机组2、冷水机组4、冷却塔5出口处分别安装温度传感器。在地埋管1、冷却塔5出口处放置流量传感器，并且在当地放置湿度温度计

步骤1、通过建筑的负荷特性、气象参数以及***的运行参数进行全年动态模拟，得到热泵机组2的能效处于高水平热时的土壤温度区间；

步骤（2-1）、当土壤源热泵及冷却塔复合***的功能为制热时，开启地源侧循环水泵7、热泵机组2、冷冻水循环水泵8以及风机盘管3，不开启冷却塔5、冷水机组4、冷水机组冷冻水循环水泵12、冷却水循环水泵11，并结束步骤2；否则跳转（2-2）

步骤（2-2）、通过控制器3设定冷却塔的启停温度为T1，开启风机盘管3，当环境湿球温度Ta小于T1，启动冷水机组4、冷水机组冷冻水循环水泵12、冷却水循环水泵11，并进入（2-3），否则启动热泵机组2、地源侧循环水泵7、冷冻水循环水泵8，并跳转（2-4）。

步骤（2-3）、当冷水机组4无法满足末端负荷需求时，启动热泵机组2、地源侧循环水泵7、冷冻水循环水泵8，并结束步骤2。

步骤（2-4）、当热泵机组2无法满足末端负荷需求时，启动冷水机组4、冷水机组冷冻水循环水泵12、冷却水循环水泵11，并结束步骤2。

步骤3、通过控制器6调整冷却塔5的启停温度，保证土壤热平衡。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：按照管路流通顺序依次包括地埋管、热泵机组、风机盘管、冷水机组以及冷却塔；还包括有控制器；

所述热泵机组的地源侧入口通过地源侧循环水泵与地埋管相连，地源侧出口通过管路回流至地埋管，热泵机组的冷却侧出口依次通过冷冻水循环水泵以及风机盘管流入阀门流入风机盘管；

所述风机盘管的出口通过风机盘管流出阀门连通至冷水机组的盘管侧入口以及热泵机组的冷却侧入口；

所述冷水机组的盘管侧出口通过管路回流至风机盘管，冷水机组的冷却侧出口通过冷却水循环水泵与冷却塔的入口相连，并且冷却塔的出口还通过管路回流至冷水机组的冷却侧入口；

所述控制器分别与地源侧循环水泵、热泵机组、冷冻水循环水泵、风机盘管、冷却塔、冷水机组以及冷却水循环水泵相连。

2.根据权利要求1所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：还包括有水箱；所述水箱的出口通过管路与地埋管相连通。

3.根据权利要求2所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：所述冷水机组的盘管侧出口通过管路回流至冷冻水循环水泵与风机盘管流入阀门之间的管路。

4.根据权利要求3所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：所述冷水机组的盘管侧出口处安装有冷水机组冷冻水循环水泵。

5.根据权利要求4所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：该复合***的优化控制方法为：

通过环境工况进行全年动态模拟，得到热泵机组高效运行的土壤温度区间；通过调节控制冷却塔启停的环境湿球温度，使热泵机组进入该土壤温度区间；再通过改变控制温度，保持土壤热平衡。

6.根据权利要求5所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：该复合***的优化控制具体方法如下：

步骤1、通过环境工况进行全年动态模拟，得到热泵机组的能效处于高水平热时的土壤温度区间；

步骤2、根据制冷或者制热的需求，开启风机盘管，通过控制器对热泵机组、冷冻水循环水泵、冷却塔、冷水机组、冷却水循环水泵以及冷水机组冷冻水循环水泵的启停进行控制；

步骤3、通过控制器调整冷却塔的启停温度，保证土壤热平衡。

7.根据权利要求6所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：所述步骤2的具体方法如下：

（2-1）、当土壤源热泵及冷却塔复合***的功能为制热时，开启地源侧循环水泵、热泵机组、冷冻水循环水泵以及风机盘管，不开启冷却塔、冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并结束步骤2；否则跳转（2-2）

（2-2）、通过控制器设定冷却塔的启停温度为T1，开启风机盘管，当环境湿球温度小于T1，启动冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并进入（2-3），否则启动热泵机组、地源侧循环水泵、冷冻水循环水泵，并跳转（2-4）；

（2-3）、当冷水机组无法满足末端负荷需求时，启动热泵机组、地源侧循环水泵、冷冻水循环水泵，并结束步骤2；

（2-4）、当热泵机组无法满足末端负荷需求时，启动冷水机组、冷水机组冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵，并结束步骤2。

8.根据权利要求6所述的一种土壤源热泵及冷却塔复合***，其特征在于：所述环境工况包括建筑的负荷特性、气象参数以及***的运行参数。

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