空氣源輔助地源復合式熱泵系統運行控制策略優化研究

陳翔宇 敬麗君 王 軍 敬成君

（四川大學建筑與環境學院 成都 610065）

0 引言

能源是社會經濟發展和人們賴以生存的物質基礎。隨著國民經濟不斷發展，建筑面積不斷增加，建筑能耗也隨之增加。據統計，2017年我國建筑能耗占全國能耗的21.10%[1]。地源熱泵作為一種利用低品位可再生能源的高效節能空調系統，得到了廣泛的應用。但單一的地源熱泵系統受到冬夏負荷差異造成的土壤熱不平衡影響，系統的能效會逐年降低。因此，地源熱泵系統通常會輔以其他空調系統配合使用，即復合式地源熱泵系統。目前常見的復合式地源熱泵系統主要是冷卻塔、冷水機組輔助地源熱泵，但存在效率較低、系統復雜、初投資大的問題。而空氣源輔助地源熱泵的復合式熱泵系統不僅可以解決兩種負荷矛盾情況下土壤的熱不平衡問題，而且適用地區范圍更廣。

對于一個復合式地源熱泵系統來說，合理的運行控制策略是能否達到節能目的，實現地埋管冬夏季取熱、吸熱平衡的關鍵。國內外對于復式地源熱泵系統的控制方法主要分為三種：（1）設定溫度控制法；（2）溫差控制法；（3）時間控制法。喬衛來[2]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 分析能耗認為時間控制法能夠保證系統持續高效運行。顧娟[3]等人基于TRNSYS 的仿真模型的構建，提出了地源熱泵優先運行3h 的系統。雖然時間控制法相對簡單，但其運行時間無法與建筑逐時負荷相匹配，無論建筑負荷大小都將開啟空氣源，系統經濟性會較差。於繼康[4]則認為在夏季空氣溫度較低的工況下，宜優先運行空氣源熱泵，減少地埋管排熱。在夏季空氣溫度較高的工況下，空氣源熱泵性能下降，宜優先運行地源熱泵，減少運行能耗。李營[5]和Zhang[6]等人推薦熱泵進口的流體溫度與周圍環境空氣濕球溫度之差控制。Zhou[7]等人通過構建并驗證了復合式地源熱泵系統的TRNSYS 模型，認為最佳控制溫差ΔT=6℃。王新華[8]和周銘銘[9]都認為地源側溫度控制能保證熱泵機組可靠和高效運行。設定溫度控制法對復合式地源熱泵系統最為明確，可以結合地源熱泵機組的額定制冷量，充分利用地源熱泵高效節能的特性，有效地實現地埋管冬夏季吸排熱的平衡。曲云霞[10]研究表明地熱換熱器的最高水溫以當地土壤溫度加上20℃為最高限度，但對于設定溫度值的確定沒有明確的定義。

目前，國內外對于空氣源輔助地源復合式熱泵系統設定溫度控制法的研究還較少，且缺乏對于該系統長時間數據的研究。本文提出了一種基于由EnergyPlus 軟件模擬得到的傳統地源熱泵地埋管空調季的逐時溫度，結合地源熱泵機組額定制冷量，確定地埋管出口溫度設定值的方法，并以成都某辦公建筑為例，優化空氣源輔助地源復合式熱泵系統的運行控制策略。

1 研究對象

模擬選取建筑為成都某辦公建筑，成都市屬于夏熱冬冷地區。該辦公建筑地上兩層，建筑層高4.8 米，如圖1所示。建筑總面積為1425.60m2，其中非空調區域為270.54m2。房間功能主要為辦公室、會議室和大廳。從EnergyPlus 軟件全年動態負荷模擬結果來看，本建筑設計冷負荷為185kW，設計熱負荷為96kW，具體結果如圖2所示。

圖1 某辦公建筑模型圖Fig.1 Model of an office building

圖2 傳統地源熱泵系統空調季地埋管逐時出口溫度Fig.2 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger of the ground source heat pump system

圖2 建筑全年逐時動態負荷Fig.2 Office building year-on-year dynamic load

根據冷熱負荷分布情況，按照設計熱負荷選擇地源熱泵機組一臺，地埋管按照設計熱負荷設計，總長度為1800 米，需打井18 口，井深100 米。基于所選地源熱泵額定冷負荷，空氣源熱泵補充剩余的冷量。

2 模擬方法及條件

2.1 EnergyPlus 模型簡介

本文采取EnergyPlus 對建筑負荷、設備制冷量以及耗電量進行模擬。1996年美國能源部開始籌劃基于DOE-2 和BLAST 開發EnergyPlus，2001年發布了EnergyPlusVersion1.0，目前已經更新到EnergyPlus8.9.0 版本[11]。

地源熱泵機組是復合式地源熱泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空氣熱泵和水-水熱泵的模型，Jin 等人[12,13]提出了參數估計模型，利用制造商目錄數據用于計算參數，以便使用全局優化算法最小化誤差。Shenoy 提出了方程擬合模型，該模型根據制造商樣本手冊得到6 個制冷/熱系數Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，設定好名義制冷量、功率、負荷側及源側的流量即可使用，使得模擬更具有實際性，因此本文選擇使用方程擬合模型。地源熱泵系統冷凝側由垂直地埋管組成使用地環路換熱器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它將熱量輸送到地面或從地面輸送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[14]。根據成都地泵熱響應測試報告，土壤初始溫度為19.7℃，巖土綜合導熱系數為2.13W/（m3·K）。

2.2 工況條件

本次模擬室外氣象參數采用成都市氣象參數，室內設計參數如表1所示，參考《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015 夏熱冬冷地區相關規定選取圍護結構熱工參數取值如下，屋面傳熱系數為：0.63W/(m2·K)；外墻傳熱系數為：0.56W/(m2·K)；外窗傳熱系數為：2.4W/(m2·K)，太陽得熱系數為0.44。

表1 室內設計參數Table 1 Interior design parameters

3 結果分析與討論

3.1 地埋管出口溫度的確定

本文所采取的空氣源輔助地源復合式熱泵的運行策略為根據地埋管的出口設定溫度來決定空氣源熱泵機組的啟停，當地埋管出口超過設定值時，空氣源熱泵機組與地源熱泵機組聯合運行為建筑供冷，在空氣源熱泵運行期間，地埋管溫度低于設定溫度0.2℃溫差時，關閉空氣源熱泵機組。設定溫度值決定空氣源輔助地源復合式熱泵系統控制策略的合理性。溫度過高，首先土壤吸排熱不平衡，其次在機組選型配置確定了的前提下，地源熱泵機組制冷量不足，房間溫度無法保證。如果設定溫度過高，空氣源熱泵承擔冷負荷太多，整個系統不節能。因此，溫度設定值的合理選取對復合式地源熱泵系統運行尤為重要。從大量的論文研究來看，對于設定溫度值的確定都沒有明確的定義，曲云霞[10]研究表明地熱換熱器的最高水溫以當地土壤溫度加上20℃為最高限度。郭哲豪[15]認為當土壤溫度大于等于30℃時啟動冷水機組。并且對于不同地區，不同功能的建筑其設定值可能會隨之改變，本文用EnergyPlus 模擬得到根據冷負荷選型的傳統地緣熱泵地埋管空調季的逐時出口溫度，如圖3所示。其最大出口水溫32.7℃，由于復合式地源熱泵按照設計熱負荷進行，地埋管數量有所減少，會影響到其換熱量。因此設定地埋管出口溫度為25℃、26℃、27℃、28℃和29℃。

圖3 25℃下地埋管逐時出口溫度Fig.3 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 25℃

3.2 不同溫度模擬結果

3.2.1 設定溫度為25℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設定為25℃時機組地埋管空調季逐時出口溫度如圖3所示，整個空調季基本在25℃以下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統得到合理控制，其中地源熱泵機組運行小時數為1371h，空氣源熱泵運行小時數為1039h。

當地埋管出口溫度設定為25℃時，由EnergyPlus 軟件模擬得到機組的第一年逐時制冷量、耗電量、水泵的逐時耗電量以及地埋管的逐時換熱量、出口溫度。從結果分析，地源熱泵機組空調季累計制冷量為24907kWh，空氣源熱泵機組空調季累計制冷量為53300kWh，供暖季全部熱負荷由地源熱泵機組承擔，累計熱負荷為49556kWh，復合式地源熱泵系統空調季EER 為2.694，供暖季COP 為2.536。地源熱泵機組全年耗電量為22328kWh，空氣源熱泵機組全年累計耗電量為17767kWh。根據地埋管全年逐時換熱量，地埋管夏季累計排熱量為-31478kWh，冬季累計吸熱量為31439kWh，地埋換夏季排熱量最大為-28751W，土壤熱不平衡率為0.12%。

3.2.2 設定溫度為26℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設定為26℃時機組地埋管空調季逐時出口溫度如圖4所示，整個空調季基本在26℃以下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統得到控制，其中地源熱熱泵機組運行小時數為1371h，空氣源熱泵運行小時數為1002h。

圖4 26℃下地埋管逐時出口溫度Fig.4 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 26℃

當地埋管出口溫度設定為26℃時，由EnergyPlus 軟件模擬得到機組的第一年逐時制冷量、耗電量、水泵的逐時耗電量以及地埋管的逐時換熱量、出口溫度。從結果分析，地源熱泵機組空調季累計制冷量為28008kWh，空氣源熱泵機組空調季累計制冷量為50198kWh，供暖季全部熱負荷由地源熱泵機組承擔，累計熱負荷為49556kWh，復合式地源熱泵系統空調季EER 為2.701，供暖季COP 為2.540。地源熱泵機組全年耗電量為23243kWh，空氣源熱泵機組全年累計耗電量為16744kWh。根據地埋管全年逐時換熱量，地埋管夏季累計排熱量為-36367kWh，冬季累計吸熱量為31443kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-34175W，土壤熱不平衡率為13.54%。

3.2.3 設定溫度為27℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設定為27℃時機組地埋管空調季逐時出口溫度如圖5所示，整個空調季基本在27℃以下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統得到控制，其中地源熱泵機組運行小時數為1371h，空氣源熱泵運行小時數為973h。

圖5 27℃下地埋管逐時出口溫度Fig.5 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 27℃

當地埋管出口溫度設定為27℃時，由EnergyPlus 軟件模擬得到機組的第一年逐時制冷量、耗電量、水泵的逐時耗電量以及地埋管的逐時換熱量、出口溫度。從結果分析，地源熱泵機組空調季累計制冷量為31635kWh，空氣源熱泵機組空調季累計制冷量為46571kWh，供暖季全部熱負荷由地源熱泵機組承擔，累計熱負荷為49556kWh，復合式地源熱泵系統空調季EER 為2.708，供暖季COP 為2.544。地源熱泵機組全年耗電量為27932kWh，空氣源熱泵機組全年累計耗電量為15534kWh。根據地埋管全年逐時換熱量，地埋管夏季累計排熱量為-41125kWh，冬季累計吸熱量為31447kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-39640W，土壤熱不平衡率為23.5%。

3.2.4 設定溫度為28℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設定為28℃時機組地埋管空調季逐時出口溫度如圖6所示，整個空調季基本在28℃以下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統得到控制，其中地源熱熱泵機組運行小時數為1371h，空氣源熱泵運行小時數為932h。

圖6 28℃下地埋管逐時出口溫度Fig.6 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 28℃

當地埋管出口溫度設定為28℃時，由EnergyPlus 軟件模擬得到機組的第一年逐時制冷量、耗電量、水泵的逐時耗電量以及地埋管的逐時換熱量、出口溫度。從結果分析，地源熱泵機組空調季累計制冷量為35275kWh，空氣源熱泵機組空調季累計制冷量為42931kWh，供暖季全部熱負荷由地源熱泵機組承擔，累計熱負荷為49556kWh，復合式地源熱泵系統空調季EER 為2.711，供暖季COP 為2.552。地源熱泵機組全年耗電量為25461kWh，空氣源熱泵機組全年累計耗電量為28841kWh。根據地埋管全年逐時換熱量，地埋管夏季累計排熱量為-45942kWh，冬季累計吸熱量為31451kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-45462W，土壤熱不平衡率為31.5%。

3.2.5 設定溫度為29℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設定為29℃時機組地埋管空調季逐時出口溫度如圖7所示，整個空調季基本在29℃以下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統得到控制，其中地源熱熱泵機組運行小時數為1371h，空氣源熱泵運行小時數為886h。

圖7 29℃下地埋管逐時出口溫度Fig.7 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 29℃

當地埋管出口溫度設定為29℃時，由EnergyPlus 軟件模擬得到機組的第一年逐時制冷量、耗電量、水泵的逐時耗電量以及地埋管的逐時換熱量、出口溫度。從結果分析，地源熱泵機組空調季累計制冷量為38874kWh，空氣源熱泵機組空調季累計制冷量為39332kWh，供暖季全部熱負荷由地源熱泵機組承擔，累計熱負荷為49556kWh，復合式地源熱泵系統空調季EER 為2.705，供暖季COP 為2.555。地源熱泵機組全年耗電量為26716kWh，空氣源熱泵機組全年累計耗電量為13119kWh。根據地埋管全年逐時換熱量，地埋管夏季累計排熱量為-50748kWh，冬季累計吸熱量為31455kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-51596W，土壤熱不平衡率為38.1%。

3.3 不同設定溫度綜合性能對比

根據復合式地源熱泵系統綜合性能評價指標計算模型計算不同控制策略下空氣源輔助地源復合式熱泵系統運行第一年各指標及得分情況，如表2所示。

表2 不同設定溫度控制策略下復合式地源熱泵系統綜合性得分Table 2 Comprehensive scores of hybrid ground source heat pump system under different set temperature control strategies

隨著地埋管出口溫度設定值由25℃到29℃時，復合式地源熱泵系統的土壤熱不平衡率隨之增加。從不同地埋管出口溫度下空氣源輔助地源復合式熱泵系統的綜合性能評價指標打分結果來看，當地埋管出口溫度設定為25℃時系統綜合性能最優，地埋管冬夏季吸排熱也達到平衡。

4 結論

合理的運行控制策略是復合式地源熱泵是否能達到節能目的，實現地埋管冬夏季取熱、吸熱平衡的關鍵，本文分別設定地埋管出口溫度為25℃、26℃、27℃、28℃和29℃模擬并得出最佳控制策略，所得到的結論如下：

（1）空氣源輔助地源復合式地源熱泵不同設定溫度運行能耗差距不大。

（2）復合式地源熱泵系統的土壤熱不平衡率隨地埋管出口溫度設定值增加而增加，地埋管冬夏季吸排熱平衡越來越難以控制。

（3）空氣源輔助地源復合式熱泵系統運行控制策略在地埋管出口溫度設定為25℃時綜合性能得分最高，熱不平衡率為0.12%。地源熱泵冬夏季吸排熱量達到平衡。