復合式地源熱泵運行控制策略比較

喬衛來 陳九法

1中國航空規劃建設發展有限公司

2東南大學能源與環境學院

復合式地源熱泵運行控制策略比較

喬衛來1陳九法2

1中國航空規劃建設發展有限公司

2東南大學能源與環境學院

以南京某復合式地源熱泵系統為研究對象，通過能耗模擬軟件Energyplus分析其天棚輻射空調系統的能耗，計算出地埋管側全年累計散熱量與取熱量之比為3.97:1。該項目采用復合式的地源熱泵系統，本文分析輔助散熱設備運行控制策略以保證地源熱泵系統可持續高效運行。比較三種控制策略得出：溫差控制不適合散熱量與取熱量嚴重失衡的系統，因其控制溫差不易確定，輔助散熱設備啟停頻繁，且難以保證系統多年運行地下熱平衡；熱泵進口水溫控制是保證地下熱平衡的有效措施，但是需要選擇合理的控制參數值，輔助散熱設備啟動較頻繁；定時開啟控制不僅能夠保證系統持續高效運行，而且控制策略易于實施。

地源熱泵控制策略數值模擬熱平衡

1 工程介紹

地源熱泵系統能否持續、有效地運行，主要取決于地埋管換熱器與周圍土壤的累計換熱量是否處于平衡狀態[1]。

以南京某住宅建筑為例，項目建筑面積10304m2，空調面積9530m2，建筑體形系數0.192。空調系統形式為天棚輻射加新風系統，采用1700組地下換熱器為空調系統冷熱源。

本文基于建筑逐時冷熱負荷、熱泵機組及泵與風機的功率[2]，通過能耗模擬軟件Energyplus計算該建筑能耗，計算得出地埋管側換熱量：夏季峰值散熱量274.45kW，冬季極值取熱量84.66kW。全年累計總散熱量554,641kWh，總取熱量139,563kWh，地埋管側全年累計散熱取熱比值3.97:1。

使用用戶自定義函數法將地埋管側逐時換熱量導入Fluent管群模型，從而對地埋管群進行模擬[3]。將模擬的地下溫度及地埋管出水溫度與監測數據比較，確保模型參數及邊界條件設定合理可靠。同時對地埋管群模擬，研究地埋管換熱器的優化設計與系統的運行控制策略，使地埋管換熱器與周圍土壤換熱處于基本平衡狀態，達到地源熱泵持續有效運行。

2 地埋管群數值模擬

由熱響應實驗分析：巖土的導熱系數為1.84W/ (m·K)，密度為1800kg/m3，比熱容為1400kJ/(kg·K)；回填材料導熱系數為1.4W/(m·K)，密度為1350kg/m3，比熱容為1400kJ/(kg·K)；高密度聚乙烯管導熱系數為0.4W/(m·K)，密度為 950kg/m3，比熱容為 1600kJ/ (kg·K)；地埋管采用高密度聚乙烯管，管外徑均為32mm，內徑26mm，地埋管有效埋深均為55m。

采用Fluent軟件對該地源熱泵系統垂直地埋管全年運行進行數值模擬并作如下假定：

1）不考慮巖土下面的滲流影響，地下巖土為均勻介質，初始平均溫度為17.2℃。

2）采用三維非穩態模擬，計算地下溫度變化趨勢時，設定時間步長為1h。

3）運行時管內流速恒定為0.5m/s。

實際工程中，總共埋設地埋管換熱器1700組，鉆孔成正方形排列，管間距均為5m。基于假定條件，從地埋管群中取出其中正四邊形內4×4地埋管，則四邊的豎直邊界條件為絕熱面，如圖1。

圖1 大面積地埋管模型及地埋管群三維模型

為驗證上述假定的可取性，首先將地埋管群的數值模擬結果與該地源熱泵系統運行近三年土壤實測溫度對比，如圖2。模擬值與實測值溫度波動趨勢以年為周期的波幅基本一致，差別在于波峰值（實測的波峰值約高于模擬值0.5℃），因此數值模型的假定是合理的。從實測土壤溫度可以看出，土壤溫度隨著地源熱泵的連續運行，溫度越來越高，這是由于地源熱泵夏季向土壤中的散熱量大于冬季從土壤中吸收的熱量，造成熱堆積所致。因此地源熱泵系統想長期有效地運行，可采用復合式地源熱泵系統。

圖2 某地源熱泵三年運行地下溫度監測值與模擬值

為分析地埋管周圍溫度逐年變化，在地埋管周圍不同距離設置溫度監測點，各監測點的具體位置如圖3。模擬地源熱泵連續運行8年，地下25m處各監測點溫度逐年變化趨勢，如圖4。從模擬的結果可以看出：距離鉆孔0.5m位置處年平均溫度總共升高12.4℃，夏季運行時該位置地下溫度為34.5℃，模擬得到地埋管出水溫度達到44.0℃。地下巖土年平均溫度逐年上升，升高幅度約為1.9℃/年。地下巖土溫度的年平均溫度升高，會導致機組在夏季制冷運行時冷凝溫度升高，降低其制冷運行的性能系數。整個地埋孔間土壤的溫度場如圖5所示。

圖3 監測點位置示意圖

圖4 地埋管群運行八年各監測點溫度變化趨勢（時間步長12h）

圖5 地埋管運行八年地下溫度場（長度單位：m）

分析可知，地埋管側與周圍土壤的換熱量對土壤的溫度和地源熱泵運行影響很大。因此，在地源熱泵系統設計時，需要對建筑進行全年逐時負荷計算，根據地埋管熱響應測試結果，設計合理的地埋管形式、數量及間距等，根據地下換熱量的情況，合理采用冷熱源系統（如帶輔助散熱設備的復合式地源熱泵系統或純地源熱泵系統），以及優化的控制策略。

3 運行控制策略比較

本文采用數值模擬的方法研究動態負荷下溫差控制、熱泵進水溫度控制以及冷卻塔開啟時間控制[4]這三類常用的控制方式對復合式地源熱泵系統運行的效率影響。

溫差控制是根據熱泵進口流體溫度與環境空氣干球溫度之差進行控制，當其差值超過設定值時，啟動冷卻塔進行輔助散熱。本文假定：每年6月1日至10月1日，當熱泵機組的進水溫度高于環境干球溫度2℃時，開啟冷卻塔，使得冷卻出水比環境干球溫差降到1.5℃。

如圖6，采用溫差控制對地埋管群進行數值模擬，模擬系統運行四年，各監測點的位置詳見圖4。分析圖6可知，地埋管進水溫度逐年最高值分別為33.71℃、34.45℃、34.98℃和35.35℃，逐年升高0.5℃左右；距鉆孔0.5m處地下巖土逐年溫度最高值分別為21.65℃、22.69℃、23.45℃和24.00℃；相鄰埋管中心處地下巖土逐年溫度最高值分別為19.99℃、21.18℃、22.05℃和22.68℃。因此采用溫差控制，無論是地下巖土年平均溫度還是地埋管進出水溫度均逐年上升，并且需要根據特定的地源熱泵系統，選擇合適的控制溫差。

Yavuzturk和Spitler研究[4]表明，按照熱泵機組進口溫度高于35.8℃開啟冷卻塔。但是對于散熱與取熱不平衡工程，溫度設定過高，使得輔助散熱設備第一年的運行時間比較短，隨著地下熱堆積的加劇，后一年總比前一年運行時間長。另外，冷卻塔承擔最大制冷量逐年升高。因此從系統可持續性運行的角度上看，應該根據具體系統設定合理的冷卻塔啟動溫度。在此設定熱泵機組進水溫度高于32℃即開啟冷卻塔。

如圖7為控制熱泵機組最高進口流體溫度小于32℃時，運行四年模擬結果，各監測點的位置詳見圖4。分析圖7可知，地埋管進水溫度逐年最高值分別為34.65℃、35.70℃、35.76℃和35.31℃；距鉆孔0.5m處地下巖土逐年溫度最高值分別為 22.69℃、24.58℃、26.09℃和27.26℃；相鄰埋管中心處地下巖土逐年溫度最高值分別為20.76℃、22.88℃、24.64℃和26.01℃。

圖7 熱泵進水溫度控制（時間步長1h）

與控制溫差策略相比，熱泵進水溫度控制策略雖然前三年系統運行效率略低，但在運行幾年之后能達到平衡狀態，不會出現地下年平均溫度持續上升現象以及熱堆積使得系統無法運行的狀況。因此，該控制策略能夠保證地源熱泵可持續性運行，但是要保證系統高效運行必須選擇合適的熱泵進水溫度控制值。

定時開啟控制是考慮到地埋管群間歇運行，有利于抵消土壤因長期運行所產生的熱積累而造成的溫升。考慮到夜間室外氣溫比較低，該控制策略在夜間開啟冷卻塔。由于本工程地埋管側全年累計散熱取熱量嚴重不平衡，因此可以延長冷卻塔的運行時間。本文比較了兩種開啟時間控制效果，分別設定冷卻塔開啟時間為6月1日至10月1日每天10:00~22:00和0:00~12:00。

如圖8，冷卻塔開啟時間為10:00~22:00，采用非穩態模擬的方法研究系統運行四年各個監測點的溫度變化。地埋管進水溫度逐年最高值分別為29.88℃、30.73℃、31.52℃和32.25℃，相對于前面研究的兩種控制策略，出水溫度降低約2～3℃；距鉆孔0.5m處地下巖土逐年溫度最高值分別為20.45℃、21.36℃、22.20℃和22.99℃；相鄰埋管中心處地下巖土逐年溫度最高值分別為19.40℃、20.32℃、21.16℃和21.95℃。相對于溫差控制，地下年平均溫度升高減緩約13%，并且輔助散熱設備不會出現頻繁開啟情況。因此，合理的定時開啟控制是保證系統可持續性運行的有效措施，同樣，開啟時間段及時長的選擇是關鍵。

圖8 定時開啟控制策略1（時間步長1h）

另外比較定時開啟控制策略2，即開啟時間為0:00～12:00。如圖9為采用非穩態模擬的方法研究系統運行四年各個監測點的溫度變化，時間步長為1h。由圖9可知，地埋管進水溫度逐年最高值分別為29.23℃、30.01℃、30.74℃和31.42℃；距鉆孔0.5m處地下巖土逐年溫度最高值分別為 20.33℃、21.17℃、21.95℃和22.67℃；相鄰埋管中心處地下巖土逐年溫度最高值分別為19.33℃、20.18℃、20.96℃和21.69℃。相對于定時開啟控制策略1，策略2防止地下熱堆積效果更為顯著。

圖9 定時開啟控制策略2（時間步長1h）

4 結論

以南京某復合式地源熱泵系統為研究對象，根據空調系統的能耗特性，采用數值模擬的方法，比較了輔助散熱設備三種運行控制策略對熱泵系統的影響。

1）地源熱泵系統設計要考慮土壤的累計冷熱量的平衡，否則會產生冷堆積或熱堆積，使地源熱泵系統無法連續運行。

2）針對復合式地源熱泵系統，不同的控制策略對地埋管側全年散熱與取熱平衡、系統運行效率和輔助散熱設備開啟頻率等影響很大。采用地源熱泵進水溫度控制前三年熱泵機組制冷效率不如溫差控制，但在運行一定時間后能達到平衡狀態，而不會出現熱堆積。

3）對于散熱與取熱比較大的系統，應采用定時開啟控制策略，相對于溫差控制及熱泵進口溫度控制對防止地下熱堆積更有效，并且地埋管群間歇運行下，地埋管換熱量相對較大。

4）根據不同項目負荷特點，輔助散熱設備運行控制方式應相應地調整，如采用定時開啟控制方式時，為避免白天運行熱泵進水溫度過高，可輔以溫度控制，降低進水溫度。

[1] 馬宏權,龍惟定.地埋管地源熱泵系統的熱平衡[J].暖通空調, 2009,39(1):102-106

[2] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[3] 舒海文,端木琳,谷彥新,等.地源熱泵豎直地埋管系統設計的簡明算法模型研究[J].暖通空調,2006,36(12):74-77

[4] Cenk Yavuzturk,Jeffrey D Spitler.Comparative study of operatin -g and control strategies for Hybrid Ground-Source Heat Pump Systems using a short time step simulation model[J].ASHRAE Transactions,2000,106:192-195

A Study on Hybrid Ground Source Heat Pump System Control Strategy

QIAO Wei-lai1,CHEN Jiu-fa2

1 China Aviation Planning and Construction Development Co.,Ltd.
2 School of Energy and Environment,Southeast University

A Hybrid Ground Source Heat Pump system (HGSHPs)in Nanjing is researched.The all-energy analysis simulation software Energyplus is used to analyze ceiling radiation air conditioning system energy performance.By analyzing the energy simulation results,the ratio of the heat dissipation and absorption to the ground by the ground source heat exchanger is 3.97:1 in one year.So auxiliary cooling equipment is used and this paper tries to find the right control strategy and parameters to ensure system sustainable and operated with high efficiency.Three control strategies for HGSHPs sustainable operation are compared.The results show that:controlled by temperature difference does not suit for heat balance control,for the temperature difference is difficult to determine,and the auxiliary cooling equipment starts and stops frequently;controlled by the heat pump inlet water temperature insure the heat balance,but reasonable control parameters is important;controlled by open timing can not only make sure the heat balance,it can make sure the HGSHPs operated with high efficiency.

ground source heat pump,control strategy,numerical simulation,heat balance

1003-0344（2015）04-047-4

2014-5-28

喬衛來（1985～），男，碩士，工程師；北京市西城區德外大街12號（100120）；E-mail:weilaiqiao@163.com