復合地源熱泵系統在建筑群的運行策略優化

湯思益 張丹丹 鐘華祥 張坤 李潔 李維

1 南京工業大學城市建設學院

2 南京建鄴城鎮建設開發集團有限公司

0 引言

隨著綠色節能建筑概念理解的深入和研究的推進，地源熱泵系統在夏熱冬冷地區實際工程中的應用面臨著越來越大的考驗。由于設計和運行維護上的缺陷，大部分的地源熱泵系統實際都沒有能達到預期節能的目標[1]。和技術較為成熟的冷水機組系統相比，地源熱泵系統有更多的外在擾動因素和不可控性，所以在還沒有出現系統明確的設計方法之前，針對不同的項目，因地制宜地對既有地源熱泵系統進行運行策略的優化設計非常重要。目前，國內外已有很多學者對地源熱泵的運行策略進行研究。其中Yavuzturk[2]使用短步長模型對無輔助散熱和復合系統進行模擬并對比分析，得出了復合地源熱泵系統的優缺點，并提出了多個針對復合地源熱泵系統的研究方向。程曉曼[3]使用TRNSYS軟件對辦公建筑的復合地源熱泵系統模擬研究，討論了土壤蓄冷對系統的影響。

本文以夏熱冬冷地區某商業和住宅復合型建筑群復合地源熱泵系統為研究對象，使用能耗模擬軟件DeST分別模擬計算了地下商業和地上住宅部分的全年逐時空調負荷。該項目地下一層和地上一層為商鋪，地上二至六層為住宅。采用冷卻塔輔助換熱的復合地源熱泵系統。該系統主要設備選用制冷量為5.7～12.9 kW的整體式水源熱泵機組69臺，制冷量為15.5～42.7 kW的小型地源熱泵一體機249 臺（不考慮生活熱水），冷卻水量為300 m 3/h的閉式冷卻塔 1臺，D25雙U地埋管換熱器681個，埋深100.5 m，間距 4.5 m×5 m。

1 模型建立

本文使用TRNSYS作為模擬工具，在其模擬平臺Simulation Studio中搭建系統模型時，先根據仿真的系統，建立系統內各設備的數學模型，確定設備模型中的所有參數，然后按照實際系統的設備布置連接情況，連接各設備模型，并模擬系統運行情況，將模擬值與實際測試值進行對比，不斷調試模型，直到誤差處于可以接受的范圍內，即完成系統仿真模型的搭建。初始土壤溫度設置為18 ℃，模擬了系統20年的運行狀況，仿真以1 小時為一個步長，總共有 175200 個步長。仿真模型見圖1，其中虛線部分的連接為系統控制部件的連接。

圖1 復合地源熱泵系統仿真系統模型

2 負荷計算結果及分析

本建筑群全年逐時負荷如圖2、圖3所示。由圖可以看出，住宅側最大冷負荷出現在7月19日的23:00，達到5006 kW。商業側最大冷負荷出現在7月21日的15:00，達到909 kW。住宅側的冷負荷主要集中在7、8月份，商業側負荷的70%～90%來自于新風的處理，來自圍護結構部分的負荷有明顯的熱偏移現象。

采暖期住宅側最大熱負荷出現在2月3日的9:00，達到3085 kW。商業側最大熱負荷出現在1月8日的8:00，達到392 kW。最大熱負荷僅為最大冷負荷的40%～60%，所以不得不重視夏熱冬冷地區地源熱泵系統全年運行熱平衡問題。

圖2 住宅部分的全年逐時空調負荷

圖3 商業部分的全年逐時空調負荷

因此，本文提出以下幾種運行策略進行對比研究：

1）地源熱泵單獨運行模式，地源熱泵承擔冬季熱負荷和夏季冷負荷。

2）常規運行模式，即冬季地源熱泵承擔熱負荷，夏季地源熱泵正常運行，當地埋管出水溫度達到 32℃時打開冷卻塔輔助運行。

3）夏季地源熱泵與冷卻塔同時運行，共同承擔夏季冷負荷，冬季開啟地源熱泵承擔建筑熱負荷。

4）由于商鋪空調開啟時間為10:00-22:00，住宅空調開啟時間為18:00- 第二天 8:00，故夏季冷卻塔定時運行，在7:00-11:00；17:00-23:00 開啟冷卻塔，其余時間關閉冷卻塔。

3 系統仿真模擬結果及分析

3.1 地源熱泵單獨運行模擬結果分析

由圖4、5可看出，在只由地源熱泵承擔冷熱負荷的情況下，連續運行 20年后，地埋管出口流體最高溫度由45.6 ℃上升到64.2 ℃，上升了18.6 ℃。熱泵出口流體最高溫度由60 ℃上升到69.5 ℃，上升了 9.5 ℃，然而地源熱泵系統的工程技術規范建議的最高地埋管出口水溫夏季應小于 33 ℃[4]，該運行模式超過了33 ℃。這樣會導致熱泵冷凝溫度過高，從 而使熱泵的COP下降。

圖4 地埋管出口流體最高溫度對比圖

圖5 熱泵出口流體最高溫度對比圖

由圖6可知，該模式地源熱泵夏季平均COP由第一年的 4.15 下降到第 20 年的 3.89，下降幅度達6.3%。

圖6 熱泵機組COP對比圖

圖7可看出，土壤年最高溫度由26.8 ℃上升到45.4℃，20年內土壤溫度上升了18.6 ℃。土壤溫度的上升不僅導致了土壤的熱堆積，而且降低了熱泵的運行效率，甚至會減少熱泵的壽命，對于系統的長期運行非常不利。

圖7 年平均土壤最高溫度對比圖

3.2 復合系統間歇運行模擬結果分析

由圖4可以看出，策略三的地埋管出口流體最高溫度為30.4 ℃，為三種復合系統中最低的，相比策略一下降了52.6%。其中，模式二的控制策略為當地埋管出水溫度達到32℃時打開冷卻塔輔助運行，而由圖中可以看出該策略在20年的運行過程中，每年地埋管出水的最高溫度都是高于32 ℃的，且可以保持每年的溫度基本不變，維持在32 ℃左右，說明這一控制策略有一定的可行性。

由圖5可以看出，由于冷卻塔的持續運行，策略三的熱泵機組獲得了較低的冷卻水進口溫度，因此該模式下熱泵出口流體最高溫度為33.6 ℃，相比策略一下降了51.7%，下降幅度最大。其中，策略四選取商業和住宅復合的高峰時段開啟冷卻塔的間歇運行模式，也獲得了一定的改善溫升的效果，但相比策略二和策略三，效果還是不夠明顯。

地埋管流體出口溫度和熱泵流體出口溫度的降低可以有效提高熱泵的COP，降低壓縮機的能耗。圖6可以很明顯的看出，復合系統采取間歇運行策略的系統熱泵 COP 要高于地源熱泵單獨承擔冷熱負荷的連續運行系統的COP值。

在土壤溫度方面，由圖 7 所示，策略二由23.9 ℃上升到 25.5 ℃，策略三由20.7 ℃下降到 20.3 ℃，策略四由23.7 ℃上升到27.6 ℃，由于冷卻塔的輔助散熱和蓄冷作用，三種復合系統的土壤溫度均比策略一有了明顯的下降，其中策略三的土壤溫度甚至有了下降的趨勢。

由圖8 可以看出，經過 20 年的運行后，使用復合系統并間歇運行的策略，地埋管出口流體最高溫度，熱泵出口流體最高溫度和土壤年平均最高溫度和策略一相比均有了不同程度的降低。

圖8 第20年模擬結果對比圖

如上所示，使用冷卻塔輔助散熱并采取間歇運行策略可以有效的緩解土壤熱不平衡問題，提高熱泵機組的運行效率。其中，策略三的模擬結果各項數據較優，可對其進行經濟性分析，進一步驗證冷卻塔復合地源熱泵系統節能、經濟的特性。

4 結論

1）最大熱負荷僅為最大冷負荷的40%～60%，所以不得不重視夏熱冬冷地區地源熱泵系統全年運行熱平衡問題。

2）當土壤熱平衡問題嚴重時，地源熱泵系統的機組效率會大大降低，導致能耗增加，機組壽命減短。

3）在地源熱泵系統中添加冷卻塔做輔助散熱裝置，并采取間歇運行的策略可以有效緩解土壤熱不平衡，提高熱泵機組效率，有利于系統的長期穩定運行。

4）仿真結果表明，策略三每年的土壤溫度變化較小，20年內土壤溫度基本保持不變，較其他幾種運行策略改善溫升的效果明顯，每年土壤溫度基本可以恢復至年初時的土壤溫度水平。