CN203964260U - 一种地源热泵系统的自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种地源热泵系统的自动控制系统,包括一室外地能换热系统,连接于所述室外地能换热系统的一热泵机组,连接于所述热泵机组的一室内末端系统,以及一自动控制系统,其中所述自动控制系统连接于所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统,并包括一室外地能换热系统监控模块、一室内温/湿度监控模块、一通风系统监控模块、一全系统输入/输出能量计量模块以及一中央控制系统,以监控所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统,控制地源热泵系统的各管道阀门和各泵的运行、各设备的运行,以实现对整个系统的能效和运行进行监测和控制,自动控制整个系统,使其节能运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及地源热泵系统,尤其涉及一种地源热泵系统的自动控制系统,通过采用完善的自动控制系统,实现了整个地源热泵系统的自动控制和系统的能效检测,有利于提高地源热泵系统的运行效率和运行稳定性,实现对整个系统的自动控制。
背景技术
随着经济社会的发展和生活水平的提高,人们对居住、工作环境舒适性的要求也越来越高,加之我国一年四季的变换,全年度温差较大,对人们的适应性提出了较高的要求。而空调的出现,解决了全年度的温差问题,可以根据外部环境的变换,通过供热和制冷,使人们居住和工作的室内环境保持一个平衡的温度,让人们感觉舒适。所以,空调成为了人们生活和工作中不可缺少的一种调节温度的工具。
在我国,目前的空调大多以电能为主,每年将耗费大量的电能。此外,目前的空调大多是空气源热泵空调,工作过程中,室内多余热量或冷量排放到室外空气中,当城市大量使用空气源热泵空调系统时,将致使夏季环境温度升高,冬季环境温度降低,虽然室内舒适,但室外恶劣,即室内环境的舒适是以破坏室外环境为代价的,从长远来看,不利于人们的健康。而且由于传统空调向外排热,室外温度较低时,空调工作正常,当室外温度较高时,空调很难向外排热,导致工作效率降低,制冷效果下降。
在能源和环境问题成为世界各国广泛关注的问题时期,空调的节能问题不容忽视,如何降低空调的能耗成为解决能源问题的关键技术之一。由于科学技术的发展,新科技的利用越来越多,发展的空间也越来越大,其中将地源热泵用于空调系统的技术就有利于缓解空气源热泵空调系统带来的能源和环境危机。
这是由于在太阳的辐射照耀下,地球成为太阳能的巨型“存贮器”,在地壳浅层的水体和土壤中贮存了大量清洁的可再生能源,地球所获得的近一半的太阳能量均聚集于此,称为浅层地热能源(简称地源)。而地源热泵空调系统就是一种利用地下浅层地热资源(如地下水、土壤或地表水等)的节能环保型空调,冬季,热泵机组从地源中吸收热量,向建筑物供暖;夏季,热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中,实现建筑物的制冷。地源热泵空调系统,具有很多优势,例如节能减排,其利用地源,不会引起室外空气温度的变化,不排放废水、废气、废渣,其工作过程为一个循环过程,冬夏互相补偿,可使大地的热量基本维持平衡,属于清洁的可再生能源;此外,地源取代了常规中央空调的锅炉和冷却塔,可制冷、可取暖,又可以为用户提供热水,一机多用。
虽然地源热泵空调系统具有显著的优越性,目前的地源热泵空调系统使用率还不高,其中一个原因是由于目前地源热泵空调系统采用的自动控制系统控制精度不高,不能很好的跟踪系统负荷而运行,特别是在温度的控制上还不具备自适应的能力,很难满足舒适性和节能的要求。此外,在目前的地源热泵中央空调中,控制系统的设计和水泵设备的选型都留有一定的余地,而在实际使用中,由于季节因素、昼夜温差和用户负荷的变化,在绝大部分时间内,实际的空调负载都远比设计负载要低,因此,目前大部分空调都处于部分负荷下运行,即处于轻载运行状态,工作效率较低,浪费了能源。
因此,提高能源利用率,大力开发利用可再生能源是解决我国能源与环境问题的重要途径之一,而利用地源热泵开发浅层地热能是一种既节能减排、又不污染环境的可持续发展道路,值得对其进行更好的控制,以更好的推广应用。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,通过对地源热泵系统的自动控制,以解决目前地源热泵系统工作效率低和控制精度不高的问题,使地源热泵系统更好的工作。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,通过设置温度传感器和温度数据处理软件对地埋管区域温度和室内温度的监控,掌握温度变化情况,及时切换系统的工作状态,以实现地源热泵系统最大程度的节能运行。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵的自动控制系统,通过设置流量传感器和流量数据处理软件,对各管道各阀门进行控制,使其根据实际需要节能运行。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,通过对通风系统的监测,掌握新风机组的运行状态,以自动控制风机盘管的启停,使其根据室温情况选择性地工作或暂停,以实现新风机最大程度的节能运行。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,通过热能表、电能表和中央控制系统,对全系统输入、输出能量的计量,以方便对系统整体能耗的评估计算和集中管理。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,通过对机房内主要设备的监控,实现对机房的自动控制,以自动地连锁控制地源热泵机组的相关设备。
本实用新型的另一目的在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,结合现代的计算机技术实现对地源热泵系统的自动化控制,几乎不需要人工干预,使系统运行安全稳定。
本实用新型的另一目的及优势在于提供一种地源热泵系统的自动控制系统,可以提高地源热泵系统的控制精度和运行效率,对地源热泵系统的推广应用具有重要意义。
为满足本实用新型的以上目的、优势以及本实用新型的其他目的和优势,本实用新型提供一种地源热泵系统的自动控制系统,包括:一室外地能换热系统,其包括至少一埋管;连接于所述室外地能换热系统的一热泵机组;连接于所述热泵机组的一室内末端系统,接收所述室外地能换热系统和所述热泵机组的能量;和一自动控制系统,连接于所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统,其中所述自动控制系统包括一室外地能换热系统监控模块、一室内温/湿度监控模块、一通风系统监控模块、一全系统输入/输出能量计量模块以及一中央控制系统,以监控所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统,控制地源热泵系统的各管道阀门和各泵的运行、各设备的运行,以实现对整个系统的能效和运行进行监测和控制,以实现对整个系统进行自动控制,使其节能高效运行。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个优选实施例的地源热泵系统的整体结构示意图。
图2是根据本实用新型的上述优选实施例的地源热泵空调系统控制系统结构示意图。
图3是根据本实用新型的上述优选实施例的地源热泵空调计算机控制系统示意图。
图4是根据本实用新型的上述优选实施例的压差传感器安装示意图。
图5是根据本实用新型的上述优选实施例的热能表安装示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例,本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。地源空调系统既可以制冷,又能供暖,还可以为用户提供生活用水。
制热原理:地源热泵系统在制热状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,并通过四通阀变换冷媒流动方向。由室外地能换热系统吸收地下水或土壤里的热量,通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝,由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中,以室内采暖空调末端系统向室内供暖。此外,冬天热泵中制冷剂流动的过程中,压缩机排出的高温高压气体进入冷凝器向集水器中的水放出热量,相变为高温高压的液体,再经热力膨胀阀节流降压变为低温低压的液体进入蒸发器,从地下循环液中吸取低温热后相变为低温低压的饱和蒸汽后进入压缩机吸气端,由压缩机压缩排出高温高压气体完成一个循环。如此循环往复将地下低温热能“搬运”到集水器,从而不断的向用户提供45℃-50℃的热水。
地源热泵制冷原理:地源热泵系统在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝,由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收,最终通过室外地能换热系统转移至地下水或土壤里。在室内热量通过室内采暖空调末端系统、水源热泵机组系统和室外地能换热系统不断转移至地下的过程中,通过冷媒-空气热交换器(风机盘管),以13℃以下的冷风的形式为房供冷。此外,夏天热泵中制冷剂流动的过程中,与用户换热的冷凝器变为蒸发器从集水器中的低温水(约7-12℃)提取热能,与地下循环液换热的蒸发器变为冷凝器向地下循环液排放热量,循环液中热量再向地下低温区排放,如此循环往复连续地向用户提供7-12℃的冷水。
综上,地源热泵中央空调系统可实现制冷、地板采暖、提供生活热水一机三用,可谓一举三得,是一种有效地利用能源的方式。因此,为了提高地源热泵系统的效率以及运行的稳定性,本实用新型通过将地源热泵系统与自动控制系统相结合,以实现对地源热泵系统的自动控制。
在本优选实施例中,以目前使用较多的地源热泵空调系统为例,通过在地源热泵空调系统中安装自动控制系统,来控制地源热泵空调系统的准确度,以使其更加节能环保,并且使用更加自动化和人性化。下面将详细介绍自动控制系统在地源热泵空调系统的应用。
如图1所示,地源热泵空调系统分为室外地能换热系统10、热泵机组20、室内末端系统30和自动控制系统40,其中所述自动控制系统40通过对所述室外地能换热系统10、所述热泵机组20和所述室内末端系统30的监测和控制,以实现对整个系统的自动控制和系统能效监测。
所述室外地能换热系统10主要为埋管和埋管辅料11以及换热器12,其中在所述埋管和埋管辅料11中,埋管辅料辅助所述埋管,使其更好的运行,所述换热器12可以用于与周围环境交换热量,满足不同季节、不同区域的人的使用需求,以使地源能量更好的输送和利用。
所述热泵机组20包括循环水泵21、蒸发器22、冷凝器23、换向阀24(可以选为四通阀)、压缩机25和节流元件26(本实施例中优选为膨胀阀)等主要部分组成,通过相应的管道、电线、接管等将它们连接成一个密封系统,并与所述埋管11相连接,且在各个管道上、接管上均设置相应的阀门,以更好的控制水源的流动。在运行中,所述蒸发器22从土壤或地表水中吸取热量使传热工质蒸发,工质蒸汽经所述压缩机25压缩后温度和压力上升,高温蒸汽通过所述冷凝器23冷凝为液体,释放出来的热量传递给高温端循环介质。冷凝后的传热工质通过所述膨胀阀26返回到所述蒸发器22,然后再被蒸发,如此往复循环,从而达到制热或制冷的目的。
在这个过程中,所述压缩机25是热泵系统的核心部件,作为冷量的输出设备,其作用是使制冷剂液体在流经节流元件时蒸发以吸收待冷却物体的热量,从而达到制冷的目的,所述冷凝器23作为热量的输出设备,它将从所述蒸发器22中吸收的热量以及所述压缩机25做功所产生的热量带走,达到制热的目的,所述节流元件26的作用是对循环工质节流和降压,并调节进入蒸发器的循环工质流量。
所述室内末端系统30主要包括空调系统31、地暖系统32和供水系统33,通过利用地源能量给使用者提供冷风、暖风、冷水和热水,满足使用者不同的季节性的需求。
所述空调系统31包括相应的风机盘管和新风机组,并与所述自动控制系统40相连接,以更好的使送风量和送风温度得到合理输出,使通风系统更加节能的运行。
如图1至图5所示,所述自动控制系统40是通过计算机控制系统来实现的,主要包括室外地能换热系统监控模块41、室内温/湿度监控模块42、通风系统监控模块43、全系统输入/输出能量计量模块44以及中央控制系统45,其中所述全系统输入/输出能量模块44可以统计和记录所述室外地能换热系统监控模块41、所述室内温/湿度系统监控42和所述通风系统监控模块43得到的数据,并反馈给所述中央控制系统45,通过相应的分析和处理,以更好的控制所述室外地能换热系统10、所述热泵机组20和所述室内末端系统30,以使全系统配合现代计算机技术实现自动化控制,使设备安全、高效、稳定运行。
所述室外地能换热系统监控模块41是通过对埋管区域地温的监控来实现的。在埋管区域埋设多个室外温度传感器411并在埋管的进口和出口处各设置至少一室外流量传感器412,用于监测所述埋管11区域周围的土壤温度、环境温度或地表水温度以及所述地埋管11流通的水源的流量,其中所述温度传感器411和所述流量传感器412通过相应的屏蔽导线连接到机房,可以将数据传递给所述全系统输入/输出能量计量模块44,继而反馈到所述中央控制系统45。
其中所述室外温度传感器411安装于所述埋管11所在区域的周围,选取一些重要的点来安装,以客观全面的反应所述埋管11所述区域的温度。
所述全系统输入/输出能量计量模块44包括一温度数据采集系统441、一流量数据采集系统442以及与所述温度数据采集系统441和所述流量数据采集系统442相连接的一主机443。所述室外控制系统的所述室外温度传感器411和所述室外能量传感器412通过所述温度数据采集系统441和所述流量数据采集系统442,采集土壤或地表水温度传递给所述主机443,其中所述主机443具备通讯接口和开放通讯协议,值班室内的地埋温度采集计算机通过采集、存储土壤信号,供所述中央控制系统45包括的一中央操作站节能管理软件451进行相关数据存储分析。此外,DDC通过所述温度传感器收集的土壤温度并计算平均值,与第一个夏季运行前检测的平均值比较,并反馈给所述中央控制系统包括的一节能控制系统452,以调节各水泵或各管道阀门的启停,即当平均值高于第一个夏季平均温度设定值(比如0.3℃),开启地源侧水泵,对土壤进行降温,直至土壤达到正常温度为止。
值得一提的是,所述温度传感器411设置在有代表性的区域,以对埋管区域的土壤温度进行有效监测。本实施例中所有温度的测量均通过与温度传感器相配套的测温球阀进行测量,并将测量数据反馈给各温度传感器。
所述室内温/湿度监控模块42包括对室内的温度监控和湿度监控,以使得自动控制系统根据室内的温度和湿度情况进行调节新风机的运行状态、故障报警状态等。在室内设置至少一室内温度传感器421、至少一室内湿度传感器422,以监测新风机的送风温度、室内温度和室内湿度,并送给相应的温湿度数据处理系统441和流量数据采集系统442,然后传送给所述节能管理软件451,根据监测的数据进行控制新风机的启动和停止,使其根据实际需要选择性地、自动地启动和停止,更加方便,也更加节能。
所述通风系统监控模块43主要是控制风机盘管的运行,包括设置在管道上的一电动两通阀431、连接于集水器和分水器的一压差传感器432以及至少一附加流量传感器434,并可结合所述室内温度传感器421和所述室内湿度传感器422监测到的数据,通过所述节能管理软件451进行控制风机盘管的启停,换句话说,当温度到达设定温度时,所述电动两通阀431自动关闭,控制冷水的流量或者切断冷水的供应,从而控制风机盘管的启停。此外,在供水主管上和分、集水器旁路上安装所述压差传感器432的一压差调节阀433,随着风机盘管的启停,根据所述压差传感器432监测到的当前水压差,将信号传输至控制中心,控制中心的控制器经过PID运算控制安装在分、集水器旁路上的所述压差调节阀433的开度,维持供、回水压差恒定于设定值。进一步地,还可以在所述分、集水器旁路上安装一旁通装置,受控于所述中央控制系统45,以自动调节阀门的状态,根据需求自动调节管道流量。
进一步地,全系统输入/输出能量计量模块44包括系统耗电总量(输入)和系统热量产能(输出),以达到计算系统能耗及能效比的目的,以计量土壤与地埋管之间的热交换,可以在冬季提高地埋管的进水温度,夏季降低地埋管的出水温度,可以提高热泵的运行效率,从而减少系统的能耗。
此外,在机房内设置至少一控制柜电能表444,在室内设置至少一配电柜445,分别用来计量空调机组和循环水泵的耗电量,以及各风机盘管和新风机组的耗电量,便于中央控制系统根据相应的数据实现对全系统的控制,以更好的使系统运行,更加节能环保。
在空调热冷水系统和地源循环水系统中设置至少一热能表446,用来采集、计量空调热冷水系统和地源循环水系统的进水管和出水管的温度,并结合管内的流量进行计算,得出每个系统的能量输出,并反馈给所述中央控制系统45。
所述中央控制系统45是通过对各个设备和系统的监控,实现对全系统设备运行的控制,其中中央控制系统通过预先编写的时间程序或通过管理中心操作员454,启动所述地源热泵机组20及各组相关设备之连锁控制的系统,保证各设备开机/关机有序进行。这样的话,当其中一台泵出现故障时,备用泵会自动投入运行,主机自身具备控制功能,能够完成主机的启停工作,其中自动控制系统对机组自带的控制功能做分控接口,对主机的运行状态进行监控,对主机的运行数据进行采集、存储、分析和统计,控制各管道阀门、各泵和各设备的启停,实现了对整个系统的有效监测和自动控制。
此外,通过对全系统能量输入和输出的监测,可以计量土壤与埋管之间的热交换,可通过在冬季提高所述埋管11的进水温度、夏季降低所述埋管11的出水温度的手段来提高地源热泵的工作效率,减少能耗,使其更加节能运行,有利于社会的可持续发展。
本领域的技术人员应理解,上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明,在没有背离所述原理下,本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.一种地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,包括:
一室外地能换热系统,其包括至少一埋管;
一热泵机组,连接于所述室外地能换热系统;
一室内末端系统,连接于所述热泵机组,接收所述室外地能换热系统和所述热泵机组的能量;和
一自动控制系统,连接于所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统,其中所述自动控制系统包括一室外地能换热系统监控模块、一室内温/湿度监控模块、一通风系统监控模块、一全系统输入/输出能量计量模块以及一中央控制系统,以监控所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统。
2.如权利要求1所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述室外地能换热系统监控模块包括安装于所述埋管周围的至少一室外温度传感器以及安装于所述埋管的至少一室外流量传感器,并反馈温度和流量数据到所述中央控制系统。
3.如权利要求1所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述室内温/湿度监控模块包括安装于室内的至少一室内温度传感器和至少一室内湿度传感器,监测送风温度和室内温度,并反馈到所述中央控制系统。
4.如权利要求2所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述室内温/湿度监控模块包括安装于室内的至少一室内温度传感器和至少一室内湿度传感器,监测送风温度和室内温度,并反馈到所述中央控制系统。
5.如权利要求4所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述通风系统监模块包括设于管道上的一电动两通阀和至少一附加流量传感器,以及连接于集水器和分水器的一压差传感器,并反馈流量和压差数据到所述中央控制系统。
6.如权利要求4或5所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述全系统输入/输出能量计量模块包括一温度数据采集系统、一流量数据采集系统以及一主机,其中所述温度数据采集系统和所述流量数据采集系统连接于所述主机,收集和储存各所述温度传感器和各所述流量传感器的数据,反馈到所述中央控制系统。
7.如权利要求6所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述中央控制系统包括一中央操作站节能管理软件和一节能控制系统,接收、处理所述主机传递的数据,以自动控制所述室外地能换热系统、所述热泵机组和所述室内末端系统。
8.如权利要求7所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述中央控制系统包括DDC、PID计算机技术。
9.如权利要求8所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述通风系统模块进一步包括一压差调节阀,连接于分、集水器和所述压差传感器。
10.如权利要求9所述的地源热泵系统的自动控制系统,其特征在于,所述全系统输入/输出能量计量模块包括至少一控制柜电能表和至少一热能表,均连接于所述室外地能换热系统控制模块、所述热泵机组和所述室内末端系统。
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