土壤源熱泵與蓄冷耦合系統的研究分析

曾令文 郭曉琴

摘要：隨著社會經濟的快速發展，能源瓶頸問題日益突出。尋找更高效的供暖空調方式刻不容緩。土壤源熱泵系統自問世以來，以其高效節能的特點逐漸得到大力發展。蓄冷系統憑借“削峰填谷”的優勢一直備受青睞。兩系統優點存在理論上的互利共存。本文以某實際工程為例，采用DeST軟件建立建筑模型，模擬全年負荷特點，并研究分析土壤源熱泵與蓄冷耦合系統特性，得到如下結論：相比多聯式空調系統，耦合系統全年運行費用節約40%。

關鍵詞：土壤源熱泵蓄冷DeST耦合系統

Research and Analysis of Ground Source Heat Pump and Cold Storage Coupling System

ZENG Lingwen 1 ?GUO Xiaoqin 2

（1.PowerChina Hubei Electric Engineering Co.，.Ltd.， Wuhan，Hubei Province， 430000 China; 2.Wuhan City College， Wuhan，Hubei Province， 430000 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， the problem of energy bottleneck becomes increasingly prominent. It is urgent to find more efficient heating and air conditioning system. Since its inception， ground source heat pump system has been vigorously developed with its characteristics of high efficiency and energy saving. With the advantage of "cutting peak and filling valley"， the cold storage system has always been favored. The advantages of two system are complementary. Taking a practical project as an example， this paper use DeST software to set up building model to simulate the annual load characteristics， then study analysis the characteristics of ground source heat pump combined with cool storage air conditioning system. The following conclusions are drawn： compared with multi connected air conditioning system， the annual operation cost of coupling system is reduced by 40%.

Key Words：Ground source heat pump; Cool storage; DeST; Coupling system

眾說周知，空調耗電量約占建筑運行能耗50%～60%，且空調和電力負荷曲線趨勢類似，這加劇電力供需矛盾。因此，降低空調能耗是降低建筑能耗的關鍵，是“削峰填谷”的重要措施。

由于土壤蓄熱性能好，故與空氣源熱泵相比，機組效率更高，無需除霜，沒有結霜和融霜的能耗損失，系統穩定，運行費用低。冰蓄冷空調技術，是在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用電動制冷機制冰，用蓄冰設備將冷量貯存起來，電力負荷較高的白天，將貯存的冷量釋放出來，一方面平衡電網;另一方面利用峰谷電價差，節約空調系統運行費用[1-2]。

王建華等人對目前復合系統存在的問題提出相應解決措施[3];周瑞芳等人結合實際工程，對地源熱泵聯合蓄冷系統的經濟性進行分析[4];褚賽等人以某工程為例，分析了復合系統的運行策略[5];王俊等人分析了分布式能源高效應用的途徑[6];陳明彪從能效和經濟性2個方面對跨季節蓄冷技術進行了分析[7]。

本文將以實際工程為例，利用DeST軟件分析負荷特征，并配置土壤源熱泵與蓄冷耦合系統，探討耦合系統運行模式，與多聯式空調系統進行比較，得出該耦合系統的全年運行費用約節約40%。

1 負荷模擬

本文以武漢某建筑部分區域為例，利用DeST軟件對其全年動態負荷進行模擬，分析該建筑負荷特征。

本建筑物為辦公性質。辦公時間為：工作日8：00-17：00。根據文獻[8]中的方法，擬定制熱季為：12月1日～3月5日，空調季為：6月1日～9月25日。由此通過軟件模擬得到該區域全年動態冷熱負荷，如圖1所示（0軸上為熱負荷，0軸下為冷負荷）：

由圖1可以看出，冷負荷最大值為104.87kW，熱負荷的最大值為78.98kW。

2 系統配置

結合本項目實際情況，采用土壤源熱泵+蓄冷耦合系統實現供冷供熱。

由于建筑負荷較小，壓縮機為渦旋式，因此蓄冷系統形式采用水蓄冷，蓄冷槽采用溫度分層型，水箱體積為57m3。機組夏季COP約為5.3，制冷量為76.5kW，因此得到地源熱泵排至土壤中的熱量為91kW。本項目地埋管側的鉆井深度設計為100m，埋管形式為雙U，鉆井單位換熱量為55W/m，并考慮鉆井數量10%～20%的附加量，故所需的鉆井數量為20口。

3 系統運行策略

項目所在地的谷時電價時段為23：00-2：00。下面以100%設計日負荷、75%設計日負荷、50%設計日負荷、25%設計日負荷四種控制策略模型為例對系統進行分別說明。

該工況下，機組利用晚上23：00～2：00時段為水槽蓄冷凍水。白天8：00～17：00，地源熱泵機組與水蓄冷系統同時運行。地源熱泵機組始終處于額定工況下運行，效率較高。其余冷負荷由蓄冷槽提供。

該工況下，機組利用晚上23：00～2：00時段為貯水槽蓄冷凍水。白天8、9、10、17點時段的冷負荷由水蓄冷槽提供，其余時段冷負荷較高，由地源熱泵機組單獨或聯合供應，保證機組高效運行。

該工況下，機組利用晚上23：00～2：00時段為貯水槽蓄冷凍水。白天14點時段冷負荷由地源熱泵機組提供，其余時段冷負荷完全由蓄冷槽提供。

該工況下，機組利用晚上23：00～ 01：00時段為貯水槽蓄冷凍水。白天的冷負荷完全由水蓄冷槽提供，地源熱泵機組無需工作。

4 系統經濟性分析

項目原方案為多聯式空調機組，故本節將與該系統進行比較。首先統計建筑100%、75%、50%和25%這四種負荷率下的運行天數，如表1所示：

此外，土壤源熱泵+水蓄冷耦合系統的輸送能耗按單臺水泵2.2kW計，兩種系統夏季、冬季運行費分別如如表2和表3所示。

由表2和表3可知，土壤源熱泵+水蓄冷耦合系統全年運行電費為21489.53元，多聯式空調機組全年運行電費為35576.65元，因此前者較后者節約運行費用約40%。

5 結語

本文以實際項目為例，得到如下結論：

（1）對于土壤源熱泵+蓄冷耦合系統的設計，宜根據建筑熱負荷選擇熱泵機組，再根據冷負荷分布和階梯電價結構設計運行策略;

（2）由于耦合系統用用了蓄冷技術，不但減少了熱泵機組裝機容量，還減少了地埋管的設計長度，一定程度上降低了土壤源熱泵系統的初投資;

（3）與多聯式空調系統相比，耦合系統全年運行費用節約40%。

參考文獻

[1] 錢雨寧.土壤源熱泵與冰蓄冷聯合空調系統運行及經濟性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019。

[2] 郭哲豪.蓄熱水箱-地源熱泵系統在夏熱冬冷地區運行特性研究[D].重慶：重慶大學，2018。

[3] 王建華，姚海清，趙樹旺，等.土壤源與太陽能熱泵復合系統的應用與發展[J].區域供熱，2021，2：85-93。

[4] 周瑞芳，龔德建，朱繩杰，等.地源熱泵與蓄能復合空調系統多參數優化研究[J]建筑熱能通風空調，2021，40（8）：59-62。

[5] 褚賽，魏俊輝，劉啟明，等.地埋管地源熱泵復合水蓄能系統方案設計及經濟性分析[J].建筑節能，2020，48（348）：58-61。

[6] 王俊，曹建軍，張利勇，等.基于分布式能源系統的蓄冷蓄熱技術應用現狀[J].儲能科學與技術，2020，9（6）：1847-1857。

[7] 陳明彪，宋文吉，王瑛瀅，等.跨季節蓄冷集成技術系統能效與經濟性分析[J].制冷與空調，2021，35（2）：189-195。