摘要：我国是一个人口众多、资源相对贫瘠的大国，地热资源是可再生利用的清洁能源，既节约了宝贵的不可再生能源，又可改善环境取得生态效益及经济效益。本文对热泵供暖自控系统进行了分析，提出了模型预测控制和运行成本最低的控制方法。
关键词：热泵供暖；地热；自动控制
一、地热—热泵供热系统的控制的基本原则
1.最大限度的利用地热资源，尽量节约辅助加热系统能量。在最大负荷变小时，优先减少辅助加热量。在负荷有很大减少后，逐级关停热泵机组和地热井。在负荷较小时，关停了热泵机组后，地热井不能满足供热负荷需求时，再开启辅助加热系统。采用质和量并调的调节方式。多参数、多工况判断切换不同的供暖工况。
2.采用室外温度补偿动态负荷调节，供暖温度再设定，既可保证住户室温的舒适性又可节省能源。采用模型预测控制及最小二乘优化算法，考虑气象预报、电价计费等因素，使得舒适度、运行成本两方面都达到最优化。供回水泵、井泵变频控制，根据负荷及尾水排放条件对水泵进行变频控制。分季节、分时间控制生活热水系统，在保证不同负荷的用水量下，最大限度降低运行能耗。
二、控制好负荷调节的合理标准
根据各供暖区不同时间的热负荷，实时计算实际的供暖量，与设定值进行比较，确定不同的调节方案。
1.低区散热器系统负荷控制。低区散热器系统由地热井板换B11和辅助加热板换Bh2直接负责供暖调节。通过测量低区散热器供水温度T11、回水温度T12以及流量值FR2计算出实际的热负荷。当低区散热器采暖热负荷百分比在100～35%范围内变化时，优先减小辅助加热量。当负荷百分比在35%～0%范围内变化时，关闭辅助加热板换Bh2，由地热井板换B11负责供暖调节。
2.低区地板辐射采暖系统。低区地板辐射采暖利用三台热泵机组提升低区散热器和高区地板辐射采暖系统的地热尾水进行供热，实现地热资源梯级利用。在负荷变化百分比的4个不同区域内，每个区域内负荷变化的调节方式为：当负荷需求为最大时，热泵机组、地热井与辅助加热一起负责供热，当负荷变化时优先调节辅助加热，辅助加热调至全关后，负荷再变化依靠由热泵机组自身的调节功能来实现控制，当负荷减少量大到需要停止1套热泵机组时，关闭1热泵机组及附泵，并适当调小地热井潜水泵变频器值，以保证地热水供水量满足要求。
3.当室外温度较高，或者其他系统负荷降低，经过一级二级换热后的地热水温度较高，不需要热泵进行提升就能满足低区地板采暖的要求，这时应关闭热泵两侧阀门，打开旁通阀直接进行热交换。
三、供暖系统的温度调节与供水量调节
1.在供暖系统二次侧环路，采用分阶段变流量的量调节方式，在不同的供暖负荷需求期，改变供热循环水量以适应负荷的变化，同时辅以变供水温度的质调节方式，对于室外温度高于某一值，热负荷需求较小的供暖时期，不采用变流量的量调节方式，而采用变供水温度的质调节方式，供暖流量设定为保证供暖系统稳定运行的流量值，这样可以保证在整个供暖周期内系统平稳的运行。在地板辐射采暖系统中，末端都预留了温控阀，当温控阀安装上后，可以根据最不利末端的供回水压差与设定值的差进行PID调节变频器的值，在保证每一个供暖末端用户都能自己控制室温的条件下，系统仍能稳定运行。综合温度、时间、负荷参数的变化，进行不同供暖工况的切换，避免因单一参数的不稳定性，造成频繁的工况切换而使系统振荡。
2.为了在负荷降低时让上一级多余的地热水直接流入下一级，在地热板换的一次侧都设有旁通阀，在设计的初衷由三通阀来实现调节功能，但由于一次侧管径都为DN100到DN200的大管径，并考虑到工作压力、温度介质以及系统阻力平衡后，由两个两通的蝶阀配合使用来实现调节功能。因此为保证二次侧供水温度的稳定，需要根据供水温度与设定温度的偏差PID调节一次侧水阀B11V1的开度，同时应同步反方向调节B11V2的开度，以保证地热水总流量的稳定。阀的开度L60％的范围内，多表现为直线特性，甚至表现为快开特性。在调节过程中应根据B11V1的开度推算进入板换的流量，再计算出旁通B11V2应通过的流量，反推算出B11V2的阀门开度，从而保证总的流量的稳定。
3.传统的控制思路以室外温度为函数的供水温度控制。计算机自动检测室外温度后，叠加进相应的供热调节回路中，根据室外温度变化，自动调节供热负荷。为了进一步降低运行成本，可以引入预测机制。首先根据天气预报资料预测未来24小时系统所需热负荷，利用该数值对系统未来24小时的运行工况进行预估，在保证满足供热需求和室内舒适度的前提下，综合考虑低谷电价时段、停电时段、设备运行效率等因素，进行优化计算，调整温度设定值，尽量在低谷电价时段输出热量。优化计算时，有两种方案，一种只考虑系统稳态特性和室外平均温度预测值；另一种是在设备高效运行前提下，利用预测的室外温度瞬态值和系统动态热特性数学模型采用最小二乘法寻优使所需热量得到最优化分配。
四、生活热水系统的季节性控制
1.夏季由于没有供热，地热水仅用于生活洗浴，打开相应阀门，地热原水可直接通过增压泵进入水处理设备，然后进入生活热水箱。若水箱出水温偏高，则加入自来水，使生活用水温度保持在65℃左右。根据供水温度与设定值的差，开闭自来水电磁阀，控制水箱温度。
2.冬季由于供热负荷的需求分阶段不同，因此生活用水可以实施不同的方案。严寒阶段供热需求大，为尽可能满足供暖的需求，此时地热原水尽可能用于供暖，若地热尾水温度较低，说明供暖系统实际需求较大，地热原水不能再过多的承担生活用水，此时生活用水采用一部分地热尾水经增压泵进入水处理设备，通过控制辅助加热板换一次侧阀门的开度将水温控制到65℃后，进入生活热水箱。一般寒冷阶段供热需求相对严寒阶段较少，地热尾水温度高于设定值，除满足供暖的需求外，还可部分满足生活用水，此时尽可能多的利用地热原水提供生活用水。生活用水一部分采用地热原水，一部分采用地热尾水，混合后经增压泵进入水处理设备，再经辅助加热板换控制到设定温度后，进入生活热水箱。
3.过渡季节生活热水同夏季。当有短时寒流袭来时，可启用高温辅助板换进行补充，使生活用水温度保持在65℃左右。若经过梯级利用后地热水的尾水温度仍大于合理排放的温度时，说明系统所需热负荷很小，应调整井泵变频，减小地热水水量，科学合理地使用地热资源。
结束语
由于能源短缺以及传统不可再生燃料使用所产生的严重环境污染问题，使人们探索诸如太阳能、生物质能、风能、海洋能、氢能、核能等新能源的热情不断增加，地热能作为一种具有广阔开发前景的新能源也日益受到关注。