土壤源熱泵系統運行策略及優化分析

徐衛榮 夏卓平 邱建中

土壤源熱泵系統運行策略及優化分析

徐衛榮 夏卓平 邱建中

（江蘇省建筑設計研究院有限公司 南京 210019）

針對土壤源熱泵系統供冷工況運行控制策略多樣，系統能耗受策略影響較大，導致實際運行能耗較難達到設計目標的問題，對系統常規運行策略能耗進行了分析。在溫差控制策略的基礎上，提出基于優先采用低品位熱源的原理，對運行控制策略進行節能優化。優化結果表明：供冷工況系統運行能耗較地埋管優先、冷卻塔優先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

土壤源熱泵；能耗；運行策略；節能優化；空調耗電量

0 引言

土壤源熱泵系統具有較高的運行能效比，是有效降低建筑能耗的建筑節能技術之一[1-3]。但地埋管運行時土壤溫度對熱泵系統運行能耗影響較大，且地下土壤換熱及溫度恢復過程復雜[4,5]，土壤源熱泵系統在供冷工況下，地埋管及冷卻塔組合運行方式多樣，導致部分工程實際運行效果較差，運行能耗偏高。因此有必要對土壤源熱泵系統供冷工況的運行控制策略進行分析，通過合理優化地埋管及冷卻塔間隙運行方案，在系統設計條件無需做較大調整的前提下，進一步降低土壤源熱泵系統全年運行能耗，從而為該系統的運行管理提供理論指導。

1 土壤源熱泵系統原理與設計

1.1 土壤源熱泵系統原理

土壤源熱泵系統以土壤為環境冷熱源，向用戶提供空調制冷或供熱功能[6]，該系統原理如圖1所示。

圖1中，通過V1～V10閥門狀態的切換，實現空調供熱時通過地埋管從土壤吸熱，空調制冷時通過地埋管或冷卻塔向環境放熱，系統另設置冷卻塔輔助散熱以實現土壤全年換熱平衡。

1—熱泵機組冷凝器；2—熱泵機組蒸發器；3—地埋管側循環泵；4—冷卻塔側循環泵；5—用戶側循環泵；6—地埋管換熱器；7—分水器；8—集水器；9—閉式冷卻塔

1.2 土壤源熱泵系統設計

選定采用土壤源熱泵系統的某綜合樓進行分析，其空調設計冷負荷為3494kW，熱負荷為1777kW，另有穩定的熱水需求負荷為498kW。設計地埋管深度=100m，共850口井。選用2臺額定工況制冷量為1280kW，制熱量為1410kW的地源熱泵機組，和1臺額定工況制冷量為1280kW的單冷冷水機組，另選用1臺額定流量為280m3/h的閉式冷卻塔進行輔助散熱。冷卻塔與地埋管并聯管路上的閥門為電動二通閥，機組運行時間為工作日7～18時[7]。

建立土壤源熱泵系統運行數學模型[8-13]，并根據項目現場記錄數據驗證了模型的準確性[8-9,14]，通過該模型對系統運行策略能耗進行分析，以下分析均以土壤全年換熱平衡為前提[15]。

2 常規運行策略能耗分析

本工程土壤源熱泵系統空調供熱工況從土壤吸熱量小于空調制冷工況向土壤的排熱量，夏季需開啟冷卻塔進行輔助散熱，因此運行控制策略能耗分析針對夏季地埋管和冷卻塔復合運行方式。常規復合運行策略有地埋管優先運行、冷卻塔優先運行、熱泵機組冷卻進水溫度與環境濕球溫度溫差控制運行[16]。

2.1 地埋管優先運行

在空調供冷季優先運行地埋管放熱，為保證土壤換熱平衡，后期開啟冷卻塔進行輔助散熱。

地埋管優先運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統日累計運行能耗ΣC隨空調季日期變化曲線如圖2所示。

圖2 地埋管優先運行策略下土壤溫度及系統累計能耗曲線

圖2表明，地埋管優先運行策略下，因地埋管連續運行，在空調供冷季運行初期土壤溫度較高，隨著后期運行冷卻塔系統進行輔助散熱，以及供冷季末期空調冷負荷的減小，土壤溫度逐漸降低。該策略下，空調供冷工況運行能耗為13.89kWh/m2。

2.2 冷卻塔優先運行

在空調供冷季優先運行冷卻塔進行平衡散熱，后期開啟地埋管系統向土壤放熱。

冷卻塔優先運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統日累計運行能耗ΣC隨空調季日期變化曲線如圖3所示。

圖3 冷卻塔優先運行策略下土壤溫度及系統累計能耗曲線

圖3表明，冷卻塔優先運行策略下，因冷卻塔提前開啟進行輔助散熱，在空調供冷季運行初期土壤溫度較低，隨著后期地埋管系統投入連續運行，土壤溫度逐漸升高，同時由于供冷季末期空調冷負荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調供冷工況運行能耗為14.01kWh/m2。

2.3 溫差控制

溫差控制通過熱泵機組冷卻水進水溫度與當地濕球溫度的差值實現運行控制。當冷卻進水溫度與周圍空氣濕球溫度的溫差大于某一數值時，開啟冷卻塔進行輔助散熱，否則關閉冷卻塔。

溫差控制運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統日累計運行能耗ΣC隨空調季日期變化曲線如圖4所示。

圖4 溫差控制運行策略下土壤溫度及系統累計能耗曲線

圖4表明，溫差控制運行策略下，冷卻塔和地埋管系統實現間隙運行，土壤溫度在空調供冷季運行初期較低，隨著系統空調冷負荷的增大及環境濕球溫度的提高，地埋管系統投入連續運行，土壤溫度逐漸升高，同時供冷季末期空調系統冷負荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調供冷工況運行能耗為13.46kWh/m2。

3 節能運行控制策略優化

由常規運行策略能耗分析可知，土壤源熱泵系統夏季地埋管和冷卻塔復合運行方式，不同的運行控制策略產生的運行能耗結果相差較大，因此有必要對系統運行控制策略進行優化，從而在不改熱泵機組設計容量的前提下，進一步降低土壤源熱泵系統運行能耗。

3.1 節能運行優化原理

空調供冷季內，優先采用低品位熱源。在環境濕球溫度較低時，優先開啟冷卻塔輔助散熱，減少土壤熱量存儲，使土壤溫度保持于低位狀態，在環境濕球溫度較高的時段優先開啟地埋管系統，同時結合溫差控制，使熱泵機組冷卻水溫度處于較低狀態，從而提高機組制冷性能系數。

3.2 節能運行優化條件及流程

節能運行優化需交替運行地埋管及冷卻塔系統，為避免冷卻塔系統循環水污染地埋管系統，保證地埋管系統水質，設計需選用閉式冷卻塔，同時冷卻塔水系統管路同地埋管系統并聯，通過電動二通閥門實現系統切換。土壤源熱泵系統控制策略優化運行流程如圖5所示。

圖5 節能運行優化流程圖

圖中為運行時刻，h；s為室外空氣濕球溫度，℃；c為冷卻塔優先運行控制溫度，℃；LQ2為冷卻水平均溫度，℃；WC為控制冷卻塔運行的濕球溫差，℃。

4 優化運行能耗分析

4.1 系統運行能耗

控制策略節能運行優化后，土壤日平均溫度GC及系統日累計運行能耗ΣC隨空調季日期變化曲線如圖6所示。

圖6表明，節能優化運行后，因冷卻塔系統和地埋管系統實現間隙運行，土壤溫度保持在穩定的低位區間內波動，且土壤最高溫度低于常規運行控制策略，日累計運行能耗ΣC增幅較緩。節能優化策略下，空調供冷工況運行能耗為13.35kWh/m2。

圖6 優化運行策略下土壤溫度及系統累計能耗曲線

4.2 運行節能優化效果

不同運行控制策略下土壤最高日平均溫度分析如表1所示。

表1 不同運行策略下土壤最高日平均溫度分布表

注：max1、max2、max3、max4、max5為土壤最高日平均溫度前5個值

表1表明，運行策略優化后土壤最高溫度低于地埋管優先運行、冷卻塔優先運行及溫差控制運行策略。不同運行控制策略下能耗分析如圖7。

圖7 不同運行策略下能耗結果

節能運行優化后，系統運行能耗較地埋管優先策略下降低3.89%，較冷卻塔優先策略下降低4.71%，較溫差控制策略下降低0.82%。

5 結論

根據建立的土壤源熱泵系統數學模型，選定某綜合樓對該系統常規運行控制策略進行分析，地埋管優先運行、冷卻塔優先運行、溫差控制策略下，空調供冷工況運行能耗分別為13.89kWh/m2、14.01kWh/m2、13.46kWh/m2。針對不同的運行控制策略產生的運行能耗結果相差較大的問題，基于優先采用低品位熱源的原理，對運行控制策略進行節能優化。優化后，系統供冷工況運行能耗較地埋管優先、冷卻塔優先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

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Operation Strategy and Optimization Analysis of Ground Source Heat Pump System

Xu Weirong Xia Zhuoping Qiu Jianzhong

( Jiangsu Provincial architectural D&R Institute Ltd, Nanjing, 210019 )

According to multiple control strategy influencing energy consumption on cooling mode and inaccessibility to the design target in ground source heat pump system operating, conventional operation energy consumption of the system is analyzed.On the premise of temperature difference control, operation strategy is optimized based on the principle of low-grade heat source used in preference. The results show that cooling operation energy consumption decreased respectively 3.89%, 4.71%, 0.82% compared with buried pipe priorityoperation, cooling tower priorityoperation, temperature difference controloperation.

ground source heat pump; energy consumption; operation strategy; energy saving optimizing; air conditioning power consumption

1671-6612（2020）06-703-04

TK529

A

徐衛榮（1983.7-），男，碩士，高級工程師，E-mail：xuweirong001@163.com

2020-03-27