超低能耗建筑水平地埋管地源熱泵系統優化

鞠恒金, 李祥立, 常 暢, 張寶龍

(大連理工大學土木工程學院,遼寧大連116024)

1 概述

地源熱泵作為一種高效、低成本的清潔能源技術,在建筑供能領域得到了廣泛應用,其中水平地埋管地源熱泵系統由于其占地面積較大,在傳統建筑中應用較少[1-2]。然而,隨著超低能耗建筑及其相關技術的發展,新建建筑的用能負荷,尤其是供暖和供冷負荷呈明顯下降趨勢,所需水平地埋管的長度和占地面積也隨之下降,這為水平地埋管地源熱泵系統在建筑供能領域的發展帶來了廣闊的前景[3-8]。

由于水平地埋管地源熱泵系統應用在普通建筑中往往需要聯合輔助熱源或冷源(例如太陽能和冷卻塔等),使得水平地埋管地源熱泵系統優化研究變得高度非線性,需要考慮更多的約束[9-10]。仝倉等人[11]研究分析了水平地埋管地源熱泵系統的運行特性和適應性,結果表明,對于超低能耗建筑,水平地埋管地源熱泵系統具有良好的應用前景。Sanaye等人[12]利用遺傳算法對水平地埋管地源熱泵系統進行優化設計,選取管長、深度、管排層數等9個參數作為優化變量,設計出一套經濟性最優的水平地埋管地源熱泵系統。Rezaei等人[13]利用遺傳算法對水平地埋管換熱器的回填材料物性參數進行了優化,并指出地表鋪設保溫層有利于提高水平地埋管地源熱泵系統效率。

以上研究均是針對水平地埋管換熱器參數進行優化,并沒有結合實際用戶負荷需求對水平地埋管地源熱泵系統進行優化研究。本文以某超低能耗居住建筑為例,利用TRNSYS軟件搭建水平地埋管地源熱泵系統仿真模型,結合實際用戶負荷需求,以系統費用年值最低為目標函數,選取熱泵機組供水溫度為優化變量,采用Hooke-Jeeves算法對水平地埋管地源熱泵系統進行優化。

2 系統設計

2.1 建筑概況

以大連某棟超低能耗居住建筑為例,該建筑為2層,南北朝向,體形系數為0.25 m-1,建筑面積為270 m2,空調面積為242 m2。建筑應用了高性能圍護結構,外窗采用鋁合金窗框+3層Low-E玻璃,太陽得熱系數為0.45。圍護結構傳熱系數見表1,均符合GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》要求。

表1 圍護結構傳熱系數

利用TRNSYS軟件建立居住建筑負荷模型,選擇典型年氣象數據,對全年8 760 h建筑負荷進行模擬。室內環境設計參數參照GB/T 51350—2019、JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》確定:供暖室內設計溫度為20 ℃,空調室內設計溫度為26 ℃。人體發熱量、設備熱功率密度、照明裝置熱功率密度、人員在室率、設備使用率、照明裝置開啟率參照DB 13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》確定。

供暖期為11月5日至次年4月5日,供冷期間為6月1日至8月31日。由TRNSYS軟件模擬得到的建筑全年逐時負荷見圖1。由模擬結果可知:建筑全年累計冷負荷為1 497.98 kW·h,最大冷負荷為6.97 kW。全年累計熱負荷為4 411.66 kW·h,最大熱負荷為7.68 kW。

圖1 建筑全年逐時負荷

2.2 地源熱泵系統與運行策略

水平地埋管地源熱泵系統(簡稱地源熱泵系統)流程見圖2。地源熱泵系統由熱泵機組、水平地埋管換熱器、水箱、水泵、風機盤管、地面輻射供暖系統、控制系統組成。供暖期,采用地面輻射供暖系統為用戶供暖。供冷期,采用風機盤管為用戶供冷。

P1—地源側水泵; P2—熱泵機組-水箱水泵; P3—負荷側水泵。

為避免地源熱泵系統持續運行導致能源浪費,同時兼顧室內環境熱舒適性,根據供暖期、供冷期和室內溫度對地源熱泵系統進行間歇啟停控制[14]。在供暖期:當室內溫度低于19 ℃時,開啟熱泵機組,水泵P1、P2、P3開啟。當室內溫度高于21 ℃時,關閉熱泵機組,水泵P1、P2、P3關閉。在供冷期:當室內溫度高于27 ℃時,開啟熱泵機組,水泵P1、P2、P3開啟,風機盤管開啟。當室內溫度低于25 ℃時,關閉熱泵機組,水泵P1、P2、P3關閉,風機盤管關閉。

2.3 主要設備選型

根據負荷模擬結果,建筑最大冷負荷為6.97 kW,最大熱負荷為7.68 kW。因此,熱泵機組選取額定制冷量為8.54 kW,額定制熱量為9.87 kW,額定制冷性能系數為5.6,額定制熱性能系數為4.8。水平地埋管換熱器根據文獻[15]進行設計,設計長度為360 m,管內徑為25 mm,管橫向間距為0.5 m。由于水平地埋管換熱器占地面積較大,將其設置為雙層,層間距為0.5 m。為確保水平地埋管換熱器安全運行,上層水平地埋管換熱器管中心埋深為2.0 m,距大連地區凍土層1.1 m[11]。地源熱泵系統主要設備額定參數見表2。

表2 地源熱泵系統主要設備額定參數

3 地源熱泵系統仿真模型

本文以TRNSYS 17為平臺建立地源熱泵系統仿真模型。主要部件模型:熱泵機組模型Type927、水平地埋管換熱器模型Type997、風機盤管模型Type508c、水泵模型Type114、水箱模型Type4c、建筑模型Type56等。使用諧波土壤未擾動溫度模型對水平地埋管換熱器模型的初始條件和邊界條件進行轉化[11]。根據各部件之間邏輯控制關系組建地源熱泵系統仿真模型,見圖3。

圖3 地源熱泵系統仿真模型(軟件截圖)

4 地源熱泵系統優化方案設計

4.1 優化方法

選用Hooke-Jeeves算法對地源熱泵系統進行優化。Hooke-Jeeves算法與牛頓法、共軛梯度法、拉格朗日乘值法等方法相比,計算效率高、適定性強,對于變量不多的問題,可以有較好的效果[16-19]。

在仿真模型基礎上對地源熱泵系統進行優化,通過TRNSYS軟件的TRNOPT模塊,將GENOPT軟件與仿真模型連接。利用GENOPT軟件調用Hooke-Jeeves算法,對地源熱泵系統優化變量進行優化計算[20-21]。GENOPT軟件是一種用于優化最小化成本函數的程序,可調用TRNSYS軟件生成的BUI文件和DCK文件并產生輸出文件,基于TRNSYS模擬程序產生新的目標函數值,并判斷是否最優,直至尋找到目標函數的最優值[22-23]。

4.2 優化目標與約束條件

將地源熱泵系統費用年值作為目標函數,地源熱泵系統費用年值F的計算式為:

(1)

式中F——地源熱泵系統費用年值,元/a

i——基準折現利率,本文取0.07

n——系統使用年限,a,本文取15 a

Z0——系統造價,元

Zk——系統年運行費,元/a

Zw——系統年維護費,元/a

式(1)中,系統造價包括設備購置費及安裝費,為5.44×104元。系統年運行費指地源熱泵系統年電費,系統年維護費取系統造價的0.8%。電價按0.56 元/(kW·h)測算。

約束條件為:供冷期:水平地埋管換熱器進水溫度高于出水溫度,用戶供水溫度低于回水溫度,室內溫度不超過27 ℃。供暖期:水平地埋管換熱器出水溫度高于進水溫度,用戶供水溫度高于回水溫度,室內溫度不低于19 ℃[24]。

4.3 優化變量

優化前,地源熱泵系統采用質調節方式,根據室外溫度,改變熱泵機組供水溫度。TRNSYS軟件模擬運行步長為0.125 h,模擬時間為8 760 h。優化前地源熱泵系統各設備年耗電量見表3。由表3可知,熱泵機組年耗電量為2 523.73 kW·h/a,占地源熱泵系統總年耗電量的82.99%,具有較大的優化潛力。因此,選取熱泵機組供水溫度作為優化變量。供暖期,熱泵機組初始供水溫度為40 ℃。供冷期,熱泵機組初始供水溫度為10 ℃。

表3 優化前地源熱泵系統各設備年耗電量

4.4 系統性能評價指標

為了評估優化前后地源熱泵系統性能,引入制冷季節能源消耗效率ηSEER、制熱季節能源消耗效率ηHSPF、全年能源消耗效率ηAPF作為評價指標[25-26]。制冷季節能源消耗效率ηSEER、制熱季節能源消耗效率ηHSPF、全年能源消耗效率ηAPF的計算式分別為:

(2)

(3)

(4)

式中ηSEER——制冷季節能源消耗效率

Qc——供冷期熱泵機組供冷量,kW·h

Ec1、Ec2、Ec3——供冷期熱泵機組、水泵、風機盤管耗電量,kW·h

ηHSPF——制熱季節能源消耗效率

Qh——供暖期熱泵機組供熱量,kW·h

Eh1、Eh2——供暖期熱泵機組、水泵耗電量,kW·h

ηAPF——全年能源消耗效率

5 優化結果及分析

優化結果表明:供暖期,熱泵機組供水溫度最佳范圍為30.1～40.4 ℃。供冷期,熱泵機組供水溫度最佳范圍為8.9～14.9 ℃。

優化后,制冷季節能源消耗效率為4.92,比優化前提高5.8%。制熱季節能源消耗效率為3.99,比優化前提高9.3%。全年能源消耗效率為4.52,比優化前提高7.9%。

優化后,地源熱泵系統年耗電量為2 746.89 kW·h/a,比優化前節省294.03 kW·h/a,節電9.7%,系統費用年值降低2.8%。在保證室內溫度合理的前提下,供暖期熱泵機組平均供水溫度降低5.13 ℃,供冷期熱泵機組平均供水溫度提高3.05 ℃。

6 結論

① 優化結果表明:供暖期,熱泵機組供水溫度最佳范圍為30.1～40.4 ℃。供冷期,熱泵機組供水溫度最佳范圍為8.9～14.9 ℃。

② 優化后,熱泵系統制冷季節能源消耗效率、制熱季節能源消耗效率、全年能源消耗效率均比優化前有所提高。

③ 優化后,地源熱泵系統比優化前節電9.7%,費用年值降低2.8%。在保證室內溫度合理的前提下,供暖期熱泵機組平均供水溫度降低5.13 ℃,供冷期熱泵機組平均供水溫度提高3.05 ℃。