冷卻塔輔助地源熱泵系統研究現狀

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

引言

社會的迅速發展，能源消耗越來越大，環境越來越差，污染越來越嚴重，加快對可再生資源的開發利用成為了重中之重。地源熱泵作為一種高效節能、環保的技術得到了廣泛的發展和應用。但地源熱泵系統依舊存在著技術上的難題，最主要的就是如何平衡冬夏季機組對土壤的取放熱量，機組在夏天向土壤中釋放的熱量在冬天并不會全部被取出，一部分熱量仍會殘留在土壤中，從而造成土壤溫度升高，機組效率下降，能耗增加。為了消除冷熱負荷的不平衡，改善機組運行性能，一個切實可行的方法就是采用冷卻塔輔助地源熱泵復合系統。該復合系統在維持土壤熱平衡的同時，既降低了系統的初投資，又提高了系統的COP，因此得到了廣泛應用。

一、冷卻塔輔助地源熱泵系統的工作原理、形式及特點

(一)冷卻塔輔助復合式地源熱泵系統的工作原理。夏熱冬冷地區多采用冷卻塔輔助來調節夏季向土壤的排熱量，這種系統稱之為冷卻塔輔助地源熱泵復合系統。其工作原理：夏季制冷工況下，系統出來的熱水主要通過地埋管進行換熱，冷卻塔加以輔助散熱；冬季制熱工況下，利用地埋管從土壤中取熱作為熱源。對于冷卻塔輔助地源熱泵復合系統，埋管換熱器的長度按冬季熱負荷來確定，夏季超出的排熱量由冷卻塔來承擔。

冷卻塔輔助地源熱泵復合系統按冷卻塔與地埋管的連接方式可分為串聯式和并聯式,串聯式系統中循環水先流經冷卻塔系統與大氣換熱，然后流進地埋管系統再與土壤進行換熱，兩系統不能作為一個單獨的熱源，但結構簡單便于控制。并聯式系統由于冷卻塔系統和地埋管系統之間沒有相互的干擾，可單獨作為熱泵機組運行的熱源，兩系統同時運行時，二者之間的流量分配也會因為控制策略的不同而變化。總的來說，這種復合式系統可以大大減少初投資，滿足冬季熱負荷的同時也能調節好夏季冷負荷的需求，改善了系統的運行性能，提高了系統的效率以及經濟性。

(二)冷卻塔輔助復合式地源熱泵系統的特點。1.系統封是根據冬季熱負荷設計埋管長度，冬季熱負荷是小于夏季冷負荷室外，因此可以大大減小埋管長度以及鉆孔面積，降低了系統初投資。2.采用冷卻塔輔助散熱，有效的解決了土壤熱堆積的問題，使得土壤趨向熱平衡。同時降低了埋管循環水溫，提高了系統的COP，達到節能的目的。3.冷卻塔控制策略多，對于不同的地區，采用合理的控制策略，可以使得冷卻塔系統消耗的電能以及維修費用小于整個系統節省的運行費用。

二、冷卻塔控制策略

1.最高溫度控制法：根據地埋管進水溫度的最高值控制冷卻塔的啟閉，當溫度高于最高設定值時開啟冷卻塔進行輔助散熱，當溫度低于最低設定值時關閉冷卻塔進行土壤自然換熱。

2.時間控制法：根據多余的負荷的量，設定一定的時間段，在這段時間內開啟冷卻塔來調節多余的復合，其他時間內保持冷卻塔的關閉狀態。

3.溫差控制法：根據地埋管進(出)口的流體溫度與室外濕球溫度差值的大小來控制冷卻塔的啟閉，當大于設定值時開啟冷卻塔，調節傳遞給土壤的復合。

合理控制冷卻塔的啟閉來調節土壤的熱平衡，是這類復合式地源熱泵系統運行的關鍵，國內外學者在已有的控制策略的基礎上，對此展開了深入研究。

三、冷卻塔輔助地源熱泵系統的國內外研究

(一)國外研究現狀。1995年美國采暖、制冷及空調工程師協會首先提出了復合式土壤源熱泵系統的概念，并詳細描述了這項系統在應用中的優點。1996年Gilbreath研究復合式地源熱泵系統中冷卻塔所承擔的散熱比例來分析不同控制策略造成的影響，并比較了使用冷卻塔與不使用冷卻塔的地源熱泵系統在經濟性能上的差異。2000年Spitler對一個小型的辦公建筑進行研究，通過模擬軟件對復合式地源熱泵系統進行了動態模擬，得出結論：當地埋管進口流體溫度與室外濕球溫度之差大于2°C時開啟冷卻塔，溫差小于1.5°C時關閉冷卻塔的控制策略下經濟性最好,系統的能耗最低，極大的提升了系統的運行特性和經濟性。2016年Ercan Atam等人對小型的混合式地源熱泵系統提出動態規劃控制方法和非線性模型預測控制的方法。

(二)國內研究現狀。2005年河北工程學院[1]搭建地源熱泵復合系統試驗臺，設計出4種控制策略并與無輔助冷卻系統進行測試比較。四種控制策略為1：依據最高進水溫度來控制；2：設定時間來控制冷卻塔的啟閉；3：依據地埋管進口溫度與室外濕球溫度的差值進行控制；4：白天運行地源熱泵機組，晚上開啟冷卻塔與地埋管串聯運行來降低周圍土壤溫度。結果表明通過地埋管進(出)口的流體溫度與室外濕球溫度差值的大小來控制冷卻塔啟閉的系統COP最高。

2005-2008年，謝鸝等人對3種基礎控制策略進行了動態模擬。結果表明復合系統在溫差控制下長期運行，土壤熱平衡恢復最快并且系統能耗低，運行費用低[2]。2011年滿易、楊紅星等人對以冷負荷為主的建筑采用夜間開啟冷卻塔的復合式地源熱泵系統進行研究，對比常規地源熱泵系統，得出在潮濕的亞熱帶地區采用混合式地源熱泵冷卻塔夜間開啟的系統是可行的[3]。2015年李康對南京地區提出了一種利用冷卻塔過渡季節土壤蓄冷的新型復合式地源熱泵系統，并將單一土壤源熱泵、傳統混合式土壤源熱泵與提出的新型復合式土壤源熱泵進行對比研究，結果表明冷卻塔在供冷季節適宜運行的時間為6月和9月，在過渡季節適宜運行的季節為10月下旬、11月和3月[4]。

2016年李瑞豐以上海地區辦公建筑作為研究對象，提出了在采用溫差控制的同時對地埋管內流體最高溫度進行控制的綜合策略，并對不同工況點進行模擬分析。得出土壤熱平衡效果相同的情況下，相對單一控制策略的系統采用綜合控制策略的系統總耗能最少[5]。

四、結語

冷卻塔輔助復合式地源熱泵系統一定程度上緩解了傳統地源熱泵系統容易造成土壤取放熱不平衡的問題，提高了機組的運行效率，更加環保經濟。本文總結了其常用的運行控制策略，并就國內外對該復合式系統在設計與運行策略等方面的研究進行了闡述，但目前對不同地區的最佳控制策略的研究仍然有所欠缺，而對于該復合式地源熱泵系統，合理控制冷卻塔的開啟是系統設計和運行的關鍵。因此，合理、高效的運行策略的提出對該復合式地源熱泵系統達到最佳的運行效果與最小的初投資有著深遠的意義。