1.引言

　　進入21世紀，能源與環境問題成為人類迫切需要解決的大問題，它直接影響到全球生態平衡和人類的可持續發展。由于能源短缺以及傳統不可再生燃料使用所產生的嚴重環境污染問題，使人們探索諸如太陽能、生物質能、風能、海洋能、氫能、核能等新能源的熱情不斷增加，地熱能作為一種具有廣闊開發前景的新能源也日益受到關注。我國是一個人口眾多、資源相對貧瘠的大國，地熱資源是可再生利用的清潔能源，既節約了寶貴的不可再生能源，又可改善環境取得生態效益及經濟效益。

　　北京的地熱田屬于低溫熱儲，地熱水的溫度在25～90℃之間，地熱水中含有大量的熱能，通過地熱—熱泵系統將地熱用于供暖具有運行成本低、無污染的優勢，并且符合“綠色奧運”的理念。目前北京市政府已把推廣地熱采暖列為治理首都城市污染的措施之一。

　　地熱資源要科學合理的使用才能保證資源的充分利用和其可再生性，本文主要針對北京某小區地熱－熱泵供暖自控系統進行分析，提出波動調節及預估控制，最大限度充分梯級利用地熱資源并保證尾水合理使用及回灌。

　　2.工程概述

　　該小區位于北京北部，建筑面積40萬平米，其中住宅34.6萬平米，配套用房5.5萬平米，是綠色奧運試點工程。小區共有五口1000米深地熱井，其中兩口抽水井，兩口回灌井以及一口備用井。出水溫度68℃，供水量為150噸/小時。總供熱量為25000KW，其中地熱供熱能力為4012KW，地熱－熱泵供熱能力為5988KW，其余由小區輔助熱源燃氣鍋爐提供。采用熱泵技術將地熱水梯級利用到18℃，提供小區供暖，尾水部分提供生活用水，部分排放到回灌井，最大限度的利用和保護地熱資源。

　　小區的供暖梯級利用分為三部分，分別為低區散熱器供暖、高區地板輻射供暖、低區地板輻射供暖。其中低區散熱器供暖來自于一級地熱以及輔助熱源，高區地板輻射供暖來自于二級地熱以及輔助熱源，低區地板輻射供暖來自于一級二級地熱尾水、熱泵提升以及輔助熱源。

　　3.地熱—熱泵供熱系統的控制方案

　　3.1控制的基本原則

　　由于系統比較復雜，要保證系統穩定、高效、合理、節能的運行，控制方案必須遵循如下原則：

　　3.1.1最大限度的利用地熱資源，盡量節約輔助加熱系統能量。

　　在最大負荷變小時，優先減少輔助加熱量。

　　在負荷有很大減少后，逐級關停熱泵機組和地熱井。

　　在負荷較小時，關停了熱泵機組后，地熱井不能滿足供熱負荷需求時，再開啟輔助加熱系統。

　　3.1.2采用質和量并調的調節方式。

　　3.1.3 多參數、多工況判斷切換不同的供暖工況。

　　3.1.4采用室外溫度補償報考負荷調節，供暖溫度再設定，既可保證住戶室溫的舒適性又可節省能源。

　　3.1.5采用模型預測控制及最小二乘優化算法，考慮氣象預報、電價計費等因素，使得舒適度、運行成本兩方面都達到最優化。

　　3.1.6供回水泵、井泵變頻控制，根據負荷及尾水排放條件對水泵進行變頻控制。

　　3.1.7分季節、分時間控制生活熱水系統，在保證不同負荷的用水量下，最大限度降低運行能耗。

　　3.1.8地熱井就地控制，監控數據遠距離傳輸。

　　3.2供熱負荷調節與控制

　　根據各供暖區不同時間的熱負荷，實時計算實際的供暖量，與設定值進行比較，確定不同的調節方案。

　　負荷計算公式：

　　式中： Q——熱負荷；F——流量；tg——供水溫度；th——回水溫度

　　3.2.1低區散熱器系統負荷控制

　　圖3.2.1 低區散熱器采暖系統控制原理圖

　　低區散熱器系統由地熱井板換B11和輔助加熱板換Bh2直接負責供暖調節。通過測量低區散熱器供水溫度T11、回水溫度T12以及流量值FR2計算出實際的熱負荷。當低區散熱器采暖熱負荷百分比在100～35%范圍內變化時，優先減小輔助加熱量。當負荷百分比在35%～0%范圍內變化時，關閉輔助加熱板換Bh2，由地熱井板換B11負責供暖調節。低區散熱器采暖系統控制原理圖見圖3.2.1.高區地板采暖系統控制原則與低區散熱器采暖控制原則基本相同。

　　3.2.2低區地板輻射采暖系統

　　圖3.2.2 低區地板輻射采暖系統控制原理圖

　　低區地板輻射采暖利用三臺熱泵機組提升低區散熱器和高區地板輻射采暖系統的地熱尾水進行供熱，實現地熱資源梯級利用。負荷百分比在不同的階段分別投入不同的機組和熱交換組合。當負荷百分比在100%～42.8%范圍內變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵HP滿負荷運行，地熱板換B2、B3、B4與高溫輔助熱源板換Bh3一起負責供暖調節，在此范圍內負荷減少優先減小Bh3.當負荷百分比在43%～30%范圍內變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵根據負荷自動調節運行，關閉輔助加熱量Bh3.當負荷百分比在30%～15%范圍內變化時，開啟2口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動調節供熱量。當負荷百分比在15%～0%范圍內變化時，開啟1口地熱井，3臺熱泵全停，由地熱板換B2、B3、B4自動調節供熱量。考試大論壇

　　在負荷變化百分比的4個不同區域內，每個區域內負荷變化的調節方式為：當負荷需求為最大時，熱泵機組、地熱井與輔助加熱一起負責供熱，當負荷變化時優先調節輔助加熱，輔助加熱調至全關后，負荷再變化依靠由熱泵機組自身的調節功能（增減機頭）來實現控制，當負荷減少量大到需要停止1套熱泵機組時，關閉1熱泵機組及附泵，并適當調小地熱井潛水泵變頻器值，以保證地熱水供水量滿足要求。

　　當室外溫度較高，或者其他系統負荷降低，經過一級二級換熱后的地熱水溫度較高，不需要熱泵進行提升就能滿足低區地板采暖的要求，這時應關閉熱泵兩側閥門，打開旁通閥直接進行熱交換。如圖3.2.2所示，關閉HP2V3、HP2V4閥及熱泵一次側循環泵，打開HP2V1、HP2V2閥，達到節能目的。