辅助冷却土壤源热泵系统的控制方法[摘要] 在夏季空调负荷大于冬季热负荷的情况下，辅助冷却的土壤源热泵系统能够保证冬夏土壤的放热量和吸热量平衡，降低初投资。

本文阐述了辅助冷却的土壤源热泵系统的控制方法，提出了一种节能的控制方法。

[关键词] 冷却土壤源热泵控制1. 引言土壤源热泵（gchp）系统是利用土壤作为热源或热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。

根据地下热交换器的布置形式，土壤源热泵系统主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。

土壤源热泵（gchp）系统的效率比空气源热泵的高，而且不受地下水和地表水资源的限制，只需占用一定的埋管区域，对环境无污染，所用的能量为可再生能量，所以土壤源热泵技术是利用可持续发展能源的新技术，具有明显的节能和环保意义，是一项值得大力推广的新技术。

在许多大型地源热泵的应用中，地下埋管换热器夏季排向埋管附近土壤的热量远大于冬季从土壤中吸取的热量，使冬季和夏季的土壤负荷产生不平衡。

系统长期运行使埋管周围土壤温度升高，夏季埋管内流动介质与周围土壤温差降低，换热能力减弱，影响系统能效比和运行特性。

为满足建筑供冷需要就要增加地下埋管长度以增大换热量，从而在夏季使埋管长度大于实际建筑室内负荷要求的埋管长度。

在这种情况下，为降低初投资、消除机组的性能恶化、节省运行费用，可用辅助冷却地源热泵系统，即夏季采用冷却塔代替一部分埋地盘管向空气散热，冬季不用冷却塔，全部采用地埋管供热。

近几年来国内外对辅助冷却的土壤源热泵的研究主要集中在：复合地源热泵可行性研究，地下埋管换热器模拟及实验研究，辅助冷却系统运行特性模拟及实验研究，辅助冷却系统控制模式研究，复合地源热泵系统经济性分析研究，地下埋管换热器与辅助冷却系统配备性研究等。

不同气候条件，不同土壤特性所得出的最优控制策略也不同，由于增设辅助换热装置，增加了冷却塔和循环水泵的能耗，如果系统不仔细设计，冷却塔风机和冷却水循环水泵的能耗将会占有较大比例。

尽管总的辅助冷却装置的运行时间和承担的辅助冷却容量比例可以根据某个给定地区的建筑物的年负荷来决定，但是什么时候启用辅助冷却装置，和启用冷却装置后对地下埋管换热器的短期影响都很复杂。

要使辅助冷却的土壤源热泵系统发挥真正地作用，必须有良好的控制策略，才能使辅助冷却的土壤源热泵系统真正达到安全、环保、节能的作用。

2. 辅助冷却土壤源热泵系统的基本原理冷负荷占优地区的土壤源热泵复合系统是在普通的土壤源热泵系统中加入辅助散热装置构成。

根据夏季辅助散热装置的不同可以把土壤源热泵复合系统分为以下几种：冷却塔辅助散热系统、水冷器辅助散热系统、浅池塘辅助散热系统等。

在夏季机组运行过程中，在地埋管换热器不能满足冷却要求时，通过一定的控制方式适时开启辅助散热设备，排除多余的热量，使冬夏两季系统从地下吸取的热量和排入地下的热量相等，以消除土壤负荷的不平衡。

开式冷却塔和闭式冷却塔是冷负荷占优地区复合式地源热泵系统中最常见的辅助散热装置，其中开式冷却塔的初投资低于闭式冷却塔。

3.辅助冷却地源热泵系统控制方法辅助冷却的土壤源热泵系统的控制包括空调水系统的控制和冷却塔运行条件的控制，其控制方案的不同对整个系统设计的经济性、运行效果及其运行费用等有着很重要的影响，是辅助冷却土壤源热泵系统研究中的一个重要内容。

3.1 空调水系统的控制本文的空调的水系统控制主要针对末端为风机盘管的空调系统，主要采用以下方式进行控制：（1）用户末端的风机盘管采用二通阀控制方式（2）负荷侧分、集水器间设压差旁通阀用作水系统的安全平衡，其压力启动设定值为正常工作压差的1.2倍。

（3）负荷侧采用压差控制变频水泵的转速，保持系统最远端风机盘管的工作压力。

由最远端风机盘管工作压差推算的系统分、集水器的工作压差的设定值控制调节负荷侧水泵的频率和台数。

（4）水泵采取“顺序启动，均衡使用”的控制方式。

（5）冷水机组采用群控控制策论进行控制。

当供水或回水温度接近或等于单台冷机的设定温度时，冷机不应加载。

参与群控的所有冷机的本体控制设定温度应该一致。

当供水或回水温度远离（高于）设定温度时，冷机应加载。

当供水或回水温度远离（高于）设定温度时，冷机不应卸载。

当供水或回水温度低于或接近于设定温度时，表明已运行的冷机已提供了足够的冷量来满足建筑物的需求。

但能否卸载一台冷机还必须检查当前冷机的负荷（制冷量）。

还需要看卸载1台后，其余的机组是否能满足要求。

（6）热泵机组采取“顺序启动，均衡使用”的控制方式。

3.2 辅助冷却塔的控制综合国内外有关文献，对于辅助冷却塔常用的控制方案主要有三类：热泵进（出）口流体最高温度、温差控制及控制冷却塔开启时间。

3.2.1热泵进（出）口流体温度控制此控制方案主要是根据所在地区的具体气候特点及建筑物负荷的具体需要，事先设定地埋管换热器出口最高温度（热泵进口流体的最高温度），若地埋管流体出口温度达到或超过此设定极限温度值时，启动冷却塔及其循环水泵进行辅助散热，当地埋管换热器出口温度低于设定值时关闭冷却塔。

3.2.2温差控制温差控制就是根据地埋管换热器出口流体温度与当地湿球温度差来控制，当这个差值超过某设定值是开启冷却塔；当该差值恢复到设定值时，关闭冷却塔。

温差控制的另一种方法是对热泵进（出）口流体温度与周围环境空气干球温度之差进行控制，当其差值超过设定值时，启动冷却塔及循环水泵进行辅助散热，通常主要有以下两种控制条件：（1）当热泵进口流体温度与周围环境空气干球温度差值＞2℃时，启动冷却塔及冷却水循环水泵，直到其差值＜1.5℃时关闭。

（2）当热泵进口流体温度与周围环境空气湿球温度差值＞8℃时，启动冷却塔及冷却水循环水泵，直到其差值＜1.5℃时关闭。

3.2.3控制冷却塔的开启时间控制冷却塔的开启时间主要是通过在间歇期开启辅助冷却装置实现的。

对于一般空调系统而言, 夜间是系统运行的间歇期。

白天关闭辅助冷却装置, 夜间开启冷却装置, 使其和地埋管换热器串联运行。

为了避免地埋管换热器的水环路温度过高，采用设定热泵最高进（出）口流体温度的方法作为补充，具体有以下三种方法：（1）冷却塔在全年每天的12：00am—6 ：00am运行；在其他时间内，只有当热泵进（出）口流体温度超过35.8℃时，启动冷却塔及循环水泵。

（2）此方法与上面基本相同，不同之处在于冷却塔及循环水泵只是在每年的1—3月每天的12：00am—6 ：00am 运行，即在冷季节将土壤中过多的热量通过辅助散热装置冷却塔散至空气中。

（3）此方法与上面基本相同，不同之处在于冷却塔及循环水泵只是在每年的6—8月每天的12：00am—6 ：00am 运行，即在热季节将土壤中过多的热量通过辅助散热装置冷却塔散至空气中。

以上几种方法都是根据夏季向土壤里排热时地埋管换热器出水温度较高，热泵效率的较低，甚至低于常规的冷水机组的效率时，才开启冷却塔。

此时室外气温业较高，冷却塔的效率业较低，不利于热泵效率的提高。

因此本文提出根据气候条件和建筑负荷确定运行方案。

3.2.4根据气候条件和建筑负荷确定冷却塔的运行对于辅助冷却地源热泵空调系统，当不能往土壤里排热时，开启冷却塔，这时天气也是最热的时候，室外气温较高，冷却塔的散热效果较差。

为了提高冷却塔的散热效率，研究发现，根据建筑的负荷特点，计算出夏季排热量和冷却塔承担的负荷，在室外温度较低的时候，优先开启冷却塔，暂不用地埋管换热，这时冷却塔的效率高，待室外气温比较高的时候，就不开启冷却塔，采用地埋管向土壤里排热，因为土壤的温度几乎不受气温的影响，这时整个系统的效率最高，达到节能运行的目的。

4.结论作为一种运行安全可靠、结构简单、环保无污染、使用范围广泛的高效节能绿色产品，辅助冷却的土壤源热泵空调系统将在我国建筑空调领域中产生重大的经济效益和社会效益，发挥越来越重要的作用。

辅助冷却土壤源热泵的运行控制方法、控制参数是影响其系统运行性能和能耗的重要因素。

运行控制方法不同, 辅助冷却土壤源热泵系统的节能效果不同。

根据气候条件和建筑负荷确定冷却塔的开启控制策略，系统的性能系数(cop)较高，系统能耗较低，对于冷却塔的开启时间需要进一步优化，确定最优的开启时间，保证系统的安全性和节能性。

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