專利名稱：基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)裝置及其調(diào)控運行方法
技術領域：
本發(fā)明涉及建筑空調(diào)系統(tǒng)，具體涉及利用分時電價進行蓄能的地源熱泵空調(diào)運行及控制系統(tǒng)。
背景技術：
眾所周知，現(xiàn)代建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，其電耗一般占整個建筑物用電負荷的40% 60%，尤其是夏季的能耗還有不斷上升的趨勢，給城市的供配電帶來了沉重的壓力。對于許多寫字樓類建筑的中央空調(diào)來說，具有使用時間集中、季節(jié)性負荷大的特點，加重了電網(wǎng)負荷用電高峰與低谷相差較大的矛盾。夏季空調(diào)用電高峰期，占城市總用電負荷的30% 40%左右，華南地區(qū)竟高達50%以上。對于大型建筑來說，其空調(diào)系統(tǒng)的負荷和裝機容量確定以后，系統(tǒng)節(jié)能的關鍵在于運行控制以及設備的選擇，這將影響到系統(tǒng)長期運行的經(jīng)濟性。目前的中央空調(diào)系統(tǒng)大多沿用傳統(tǒng)的人工管理方式與簡易開關控制設備，由于缺乏先進的控制運行技術，欲實現(xiàn)空調(diào)載冷(熱)流體流量跟隨末端負荷的變化而動態(tài)調(diào)節(jié)則非常困難，尤其在峰谷用電負荷不匹配時造成能源的浪費以及高額的運行成本。這使我國建筑用能效率低下，單位建筑能耗比同等氣候條件下的發(fā)達國家高出2-3倍。為了緩解用電高峰與用電低谷不平衡問題，國家實行分時(白日為高峰電價；夜間為低谷電價，二者相差巨多)電價政策，鼓勵低谷時段用電。據(jù)此眾多單位采用了冰蓄冷技術，即夜間將蓄冷介質進行凍結，白天釋放用于空調(diào)制冷。問題在于投入冰蓄冷設備以后，沒有從運行技術與控制模式方面對能量利用率以及運行費用進行優(yōu)化設計。因此提出一種合理的運行與控制技術，提高系統(tǒng)各部分設備的能源利用率，可實現(xiàn)真正有效的節(jié)能。這是目前建筑節(jié)能急需解決的關鍵問題，在空調(diào)節(jié)能領域具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行現(xiàn)狀所存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其調(diào)控運行方法。以下結合附圖對本發(fā)明的技術原理進行說明?；谡{(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，包括蓄能箱、溫度傳感器、電磁閥、變頻水泵、電磁流量計、水源熱泵機組、地埋管換熱器、壓差變送器、風機盤管、集水器、分水器以及可編程控制器等。本發(fā)明分為系統(tǒng)部件的連接結構和運行控制模式兩部分。各部件組成結構蓄能箱出口管線依次串接第一溫度傳感器、電磁閥、變頻水泵、 第一電磁流量計以及第二溫度傳感器；蓄能箱進口管線依次串接電磁閥、第三溫度傳感器、 第二電磁流量計以及集水器。蓄能箱進、出口管線間并聯(lián)接有2組水源熱泵機組。地埋管換熱器供回水管線與變頻水泵及水源熱泵機組中的蒸發(fā)器(冬季)或冷凝器(夏季)串接； 蓄能箱出口管線與分水器之間并接3組變頻水泵；壓差變送器并聯(lián)接于N組風機盤管的進、 出端。分水器與集水器之間通過電磁閥連接；分水器出口與風機盤管進口連接；集水器進口與風機盤管出口連接?？删幊炭刂破鞯男盘柧€束分別接于變頻水泵、水源熱泵機組、兩個電磁流量計、三個溫度傳感器和壓差變送器。系統(tǒng)調(diào)控運行模式包括3部分(1)系統(tǒng)蓄能啟停時間確定系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備將當日與前兩日末端所有空調(diào)房間N組風機盤管總供回水流量、溫度以及各房間空氣平均溫度、濕度數(shù)據(jù)進行采集存儲； 對次日空調(diào)房間逐時負荷q(T)進行模擬預測；計算次日建筑負荷高峰段需求量Q。由節(jié)
省運行費用函數(shù)廠·計算，取得最大值，確定蓄能所需時間
段時長t。其中為高峰時電價；f2為低谷時電價。COP1(T)為空調(diào)時段機組性能系數(shù)； COP2(T)為蓄能時段機組性能系數(shù)。Ρ2(τ)為蓄能時段熱泵機組功率。Hi1為當?shù)氐凸葧r電價的開始時間；m2為當?shù)氐凸葧r電價的結束時間。當Hi2-Hi1 ^ t時，系統(tǒng)蓄能啟動時刻為 m2_t，停止時刻為m2 ；當Hi2-Hi1 < t時，蓄能啟動時刻為Hi1，停止時刻為m2。(2)蓄能裝置調(diào)峰放能啟停時間確定由可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備逐時采集風機盤管總冷凍供水、冷凍回水溫度、流量，確定此時建筑所需負荷q' (τ)。若水源熱泵機組額定負荷為Qtl，當滿足條件 q' (τ)彡Iiqtl、冷凍回水溫度超過12°C、環(huán)境溫度超過T時，蓄能裝置放能啟動，與水源熱泵機組共同承擔此時建筑所需負荷。蓄能箱進口水溫為T1、出口水溫為T2,當T2 > T1或冷凍水總回水溫度超過12°C時，停止放能，由水源熱泵機組獨立運行承擔。η為比例常數(shù)，依熱泵機組的應用情況而定，參考值85% 95%，設建筑負荷峰值系數(shù)為1，T為建筑負荷系數(shù)超過0.9時的環(huán)境溫度。(3)過渡季節(jié)蓄放能調(diào)控過渡季節(jié)建筑峰值負荷若進入高峰時電價時段，關閉水源熱泵機組，啟動蓄能裝置獨立運行。直到蓄能箱出口溫度T2夏季高于12°C、冬季低于35°C時，停止蓄能裝置運行， 開啟水源熱泵機組獨立運行。信息采集模塊先通過溫濕度傳感器、電阻式溫度傳感器、壓差變送器、電磁流量傳感器等對各個關鍵部分進行實時數(shù)據(jù)收集，然后將采集的數(shù)據(jù)進行A/D轉換同時傳遞給負荷預測模塊和優(yōu)化計算模塊，此時預測模塊對未來數(shù)據(jù)進行預測，得到的預測數(shù)據(jù)再傳回優(yōu)化計算模塊；優(yōu)化計算模塊對來自負荷預測模塊與信息采集模塊的預測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算后得到合理的輸出傳給決策模塊，決策模塊將這些輸出與預先設計的規(guī)則庫對比做出決策，最后決策方案傳遞給信息輸出模塊進行相應的D/A轉換后將實際控制量送給執(zhí)行機構進行執(zhí)行，同時執(zhí)行的結果又被各種傳感器反饋給優(yōu)化與決策中心進入下一次優(yōu)化與調(diào)節(jié)，最終通過這種循環(huán)控制來實現(xiàn)期望的調(diào)峰減費運行模式。本發(fā)明的特點及產(chǎn)生的積極效果在于，系統(tǒng)組成配置一套智能控制的運行技術方案，可以大幅消減高峰時段的負荷率，降低運行費用20%左右。與現(xiàn)有技術相比，產(chǎn)生的有益效果是(1)通過控制運行方案，充分利用低谷電時間段進行最大的蓄能，力求在高峰段盡量充分得到利用，緩解了夏季最熱與冬季最冷時段的用電費用，同時減少電網(wǎng)負荷。
(2)該運行方案需要的調(diào)節(jié)單元少，主要集中在核心算法與數(shù)據(jù)采集上，有利于對于目前的空調(diào)系統(tǒng)的技術改造。(3)運行管理模式簡單，控制精準度高，而且容易操控。(4)由于蓄能裝置的輔助，使地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行負荷平穩(wěn)，消除因氣候變化帶來的超負荷運行，提高了能源利用效率。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)部件組成原理結構簡圖。圖2為蓄能箱結構簡圖。圖3為控制方案邏輯運行說明圖。
具體實施例方式以下結合附圖并通過實施例對本發(fā)明做進一步的說明。需要說明的是，本實施例是敘述性的，不是限定性的，不以此實施例限定本發(fā)明的保護范圍。基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)裝置，如圖1所示蓄能箱4出口管線依次串接第一溫度傳感器8-1、電磁閥7、變頻水泵1、第一電磁流量計3-1以及第二溫度傳感器8-2 ； 蓄能箱4進口管線依次串接電磁閥7、第三溫度傳感器8-3、第二電磁流量計3-2以及集水器11。蓄能箱4進、出口管線間并聯(lián)接有2組水源熱泵機組2，地埋管換熱器5供回水管線與變頻水泵1及水源熱泵機組2中的蒸發(fā)器(冬季)或冷凝器(夏季)串接。蓄能箱4出口管線與分水器10之間并接3組變頻水泵1 ；壓差變送器9并聯(lián)接于N組風機盤管6的進、 出端；分水器10與集水器11之間通過電磁閥連接；分水器10出口與風機盤管6進口連接； 集水器11進口與風機盤管6出口連接?？删幊炭刂破?2的信號線束分別接于變頻水泵1、 水源熱泵機組2、兩個電磁流量計3-1 3-2、三個溫度傳感器8-1 8-3和壓差變送器9?；谡{(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控運行的方法，包括以下步驟過程(1)系統(tǒng)蓄能啟停時間確定系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備將當日與前兩日末端所有空調(diào)房間N組風機盤管總供回水流量、溫度以及各房間空氣平均溫度、濕度數(shù)據(jù)進行采集存儲； 對次日空調(diào)房間逐時負荷q( τ)進行模擬預測；計算次日建筑負荷高峰段需求量Q。由節(jié)
省運行費用函數(shù)廠·計算，取得最大值，確定蓄能所需時間
段時長t。其中為高峰時電價；f2為低谷時電價。COP1(T)為空調(diào)時段機組性能系數(shù)； COP2(T)為蓄能時段機組性能系數(shù)。Ρ2(τ)為蓄能時段熱泵機組功率。Hi1為當?shù)氐凸葧r電價的開始時間；m2為當?shù)氐凸葧r電價的結束時間。當Hi2-Hi1 ^ t時，系統(tǒng)蓄能啟動時刻為 m2_t，停止時刻為m2 ；當Hi2-Hi1 < t時，蓄能啟動時刻為Hi1，停止時刻為m2。(2)蓄能裝置調(diào)峰放能啟停時間確定由可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備逐時采集風機盤管總冷凍供水、冷凍回水溫度、流量，確定此時建筑所需負荷q' (τ)。若水源熱泵機組額定負荷為Qtl，當滿足條件 q' (τ)彡Iiqtl、冷凍回水溫度超過12°C、環(huán)境溫度超過T時，蓄能裝置放能啟動，與水源熱泵機組共同承擔此時建筑所需負荷。蓄能箱進口水溫為T1、出口水溫為T2,當T2 > T1或冷凍水總回水溫度超過12°C時，停止放能，由水源熱泵機組獨立運行承擔。η為比例常數(shù)，依熱泵機組的應用情況而定，參考值85% 95%，設建筑負荷峰值系數(shù)為1，T為建筑負荷系數(shù)超過0.9時的環(huán)境溫度。(3)過渡季節(jié)蓄放能調(diào)控過渡季節(jié)建筑峰值負荷若進入高峰時電價時段，關閉水源熱泵機組，啟動蓄能裝置獨立運行。直到蓄能箱出口溫度T2夏季高于12°C、冬季低于35°C時，停止蓄能裝置運行， 開啟水源熱泵機組獨立運行。蓄能箱的蓄能效果直接影響到系統(tǒng)的運行費用，蓄能箱設計成圖2所示的分層結構，箱內(nèi)設置四塊擋板使冷凍水沿指定方向流動來增強冷熱水在蓄放過程中的分層效果； 圖2中X表示裝置端面距第一塊擋板的垂直距離，Y表示裝置端面距第三塊擋板的垂直距離、Z表示構成狹縫的第一塊擋板與第二塊擋板間垂直距離、M表示擋板的垂直高度，四塊擋板幾何尺寸一樣?？删幊炭刂破鞯臏y控系統(tǒng)流程如圖3所示，具體數(shù)據(jù)由帶觸摸式顯示屏實時顯示。實施例建筑面積共120m2，夏季冷負荷約9kW，冬季熱負荷約6kW。配套地源熱泵系統(tǒng)總功率為3. 2kw,系統(tǒng)配置風機盤管FP-34型6臺(N = 6)，單臺額定制冷量1800w。按照常規(guī)空調(diào)模式，夏季空調(diào)時間3個月，冬季供暖時間4個月，系統(tǒng)每天平均運行時間10小時，夏季耗電量約17 度，冬季耗電量約1920度。根據(jù)天津市商業(yè)用電峰時電價為1.213 元/度；谷時電價為0. 393元/度。對于常規(guī)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，運行時間段處于高峰時間段，年運行費用約4425元。而利用本發(fā)明系統(tǒng)，通過調(diào)峰蓄能運行控制后，蓄放能時間比 冬季為6/5 ；夏季為4/3，全年運行費用約3897. 2元。節(jié)約運行費用527. 8元/年，可實現(xiàn)節(jié)約12%左右的空調(diào)系統(tǒng)運行費用。
權利要求
1.基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)裝置，包括蓄能箱、溫度傳感器、電磁閥、變頻水泵、電磁流量計、水源熱泵機組、地埋管換熱器、壓差變送器、風機盤管、集水器、分水器以及可編程控制器，其特征在于，蓄能箱出口管線依次串接第一溫度傳感器(8-1)、電磁閥 (7)、變頻水泵(1)、第一電磁流量計(3-1)以及第二溫度傳感器(8-2)；蓄能箱(4)進口管線依次串接電磁閥(7)、第三溫度傳感器(8-3)、第二電磁流量計(3-2)以及集水器(11)， 蓄能箱(4)進、出口管線間并聯(lián)接有2組水源熱泵機組O)，地埋管換熱器( 供回水管線與變頻水泵(1)及水源熱泵機組O)中的蒸發(fā)器(冬季)或冷凝器(夏季)串接，蓄能箱 ⑷出口管線與分水器(10)之間并接3組變頻水泵(1)，壓差變送器(9)并聯(lián)接于N組風機盤管(6)的進、出端，分水器(10)與集水器(11)之間通過電磁閥連接，分水器(10)出口與風機盤管(6)進口連接，集水器(11)進口與風機盤管(6)出口連接，可編程控制器(12) 的信號線束分別接于變頻水泵(1)、水源熱泵機組O)、兩個電磁流量計(3-1 3-2)、三個溫度傳感器(8-1 8-3)和壓差變送器(9)。
2.基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控運行方法，其特征在于系統(tǒng)調(diào)控運行包括如下步驟及過程(1)系統(tǒng)蓄能啟停時間確定系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備將當日與前兩日末端所有空調(diào)房間 N組風機盤管總供回水流量、溫度以及各房間空氣平均溫度、濕度數(shù)據(jù)進行采集存儲；對次日空調(diào)房間逐時負荷q( τ )進行模擬預測；計算次日建筑負荷高峰段需求量Q，由節(jié)省運行費用函數(shù)Fmax = [Ρ2{τ) · C:二)) ·/i -計算，取得最大值，確定蓄能所需時間段時長t，其中為高峰時電價；f2為低谷時電價，COP1 ( τ )為空調(diào)時段機組性能系數(shù)；C0P2( τ ) 為蓄能時段機組性能系數(shù)；Ρ2( τ )為蓄能時段熱泵機組功率，Hi1為當?shù)氐凸葧r電價的開始時間；m2為當?shù)氐凸葧r電價的結束時間，當Hi2-Hi1 ^ t時， 系統(tǒng)蓄能啟動時刻為m2_t，停止時刻為m2，當Hi2-Hi1 < t時，蓄能啟動時刻為Hl1，停止時刻為 m2 ；(2)蓄能裝置調(diào)峰放能啟停時間確定由可編程控制器中的數(shù)據(jù)采集設備逐時采集風機盤管總冷凍供水、冷凍回水溫度、流量；確定此時建筑所需負荷q' (τ)；水源熱泵機組額定負荷為qQ，當滿足條件q' (τ)彡Iiqtl、冷凍回水溫度超過12°C、環(huán)境溫度超過T時，蓄能裝置放能啟動，與水源熱泵機組共同承擔此時建筑所需負荷；η是比例常數(shù)，參考值85% 95%;T 為建筑負荷系數(shù)超過0. 9時的環(huán)境溫度，蓄能箱進口水溫為T1、出口水溫為T2,當T2 > T1或冷凍水總回水溫度超過12°C時，停止放能，由水源熱泵機組獨立運行承擔；(3)過渡季節(jié)蓄放能調(diào)控過渡季節(jié)建筑峰值負荷若進入高峰時電價時段，關閉水源熱泵機組，啟動蓄能裝置獨立運行，直到蓄能箱出口溫度T2夏季高于12°C、冬季低于35°C時，停止蓄能裝置運行，開啟水源熱泵機組獨立運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于調(diào)峰蓄能的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)裝置及調(diào)控運行方法。具體分為系統(tǒng)部件的連接結構和運行控制模式兩部分。蓄能箱進、出口管線分別接有溫度傳感器、電磁閥、變頻水泵、電磁流量計以及集水器等。蓄能箱進、出口管線間并聯(lián)接有2組水源熱泵機組；出口管線與分水器之間并接3組變頻水泵；壓差變送器并聯(lián)接于N組風機盤管的進、出端。可編程控制器的信號線束分別接于變頻水泵、水源熱泵機組、兩個電磁流量計、三個溫度傳感器和壓差變送器。調(diào)控運行模式包括3部分系統(tǒng)蓄能啟停時間確定；蓄能裝置調(diào)峰放能啟停時間確定；過渡季節(jié)蓄放能調(diào)控。系統(tǒng)組成配置一套智能控制的運行方案，可大幅消減高峰時段的負荷率，降低運行費用12％左右。
文檔編號F25B30/06GK102410597SQ20111032615
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權日2011年10月25日
發(fā)明者付文成, 張偉, 朱家玲, 朱曉明, 胡濤 申請人:天津大學