复合地源热泵系统在建筑群的运行策略优化

汤思益 张丹丹 钟华祥 张坤 李洁 李维

1 南京工业大学城市建设学院

2 南京建邺城镇建设开发集团有限公司

0 引言

随着绿色节能建筑概念理解的深入和研究的推进，地源热泵系统在夏热冬冷地区实际工程中的应用面临着越来越大的考验。由于设计和运行维护上的缺陷，大部分的地源热泵系统实际都没有能达到预期节能的目标[1]。和技术较为成熟的冷水机组系统相比，地源热泵系统有更多的外在扰动因素和不可控性，所以在还没有出现系统明确的设计方法之前，针对不同的项目，因地制宜地对既有地源热泵系统进行运行策略的优化设计非常重要。目前，国内外已有很多学者对地源热泵的运行策略进行研究。其中Yavuzturk[2]使用短步长模型对无辅助散热和复合系统进行模拟并对比分析，得出了复合地源热泵系统的优缺点，并提出了多个针对复合地源热泵系统的研究方向。程晓曼[3]使用TRNSYS软件对办公建筑的复合地源热泵系统模拟研究，讨论了土壤蓄冷对系统的影响。

本文以夏热冬冷地区某商业和住宅复合型建筑群复合地源热泵系统为研究对象，使用能耗模拟软件DeST分别模拟计算了地下商业和地上住宅部分的全年逐时空调负荷。该项目地下一层和地上一层为商铺，地上二至六层为住宅。采用冷却塔辅助换热的复合地源热泵系统。该系统主要设备选用制冷量为5.7～12.9 kW的整体式水源热泵机组69台，制冷量为15.5～42.7 kW的小型地源热泵一体机249 台（不考虑生活热水），冷却水量为300 m 3/h的闭式冷却塔 1台，D25双U地埋管换热器681个，埋深100.5 m，间距 4.5 m×5 m。

1 模型建立

本文使用TRNSYS作为模拟工具，在其模拟平台Simulation Studio中搭建系统模型时，先根据仿真的系统，建立系统内各设备的数学模型，确定设备模型中的所有参数，然后按照实际系统的设备布置连接情况，连接各设备模型，并模拟系统运行情况，将模拟值与实际测试值进行对比，不断调试模型，直到误差处于可以接受的范围内，即完成系统仿真模型的搭建。初始土壤温度设置为18 ℃，模拟了系统20年的运行状况，仿真以1 小时为一个步长，总共有 175200 个步长。仿真模型见图1，其中虚线部分的连接为系统控制部件的连接。

图1 复合地源热泵系统仿真系统模型

2 负荷计算结果及分析

本建筑群全年逐时负荷如图2、图3所示。由图可以看出，住宅侧最大冷负荷出现在7月19日的23:00，达到5006 kW。商业侧最大冷负荷出现在7月21日的15:00，达到909 kW。住宅侧的冷负荷主要集中在7、8月份，商业侧负荷的70%～90%来自于新风的处理，来自围护结构部分的负荷有明显的热偏移现象。

采暖期住宅侧最大热负荷出现在2月3日的9:00，达到3085 kW。商业侧最大热负荷出现在1月8日的8:00，达到392 kW。最大热负荷仅为最大冷负荷的40%～60%，所以不得不重视夏热冬冷地区地源热泵系统全年运行热平衡问题。

图2 住宅部分的全年逐时空调负荷

图3 商业部分的全年逐时空调负荷

因此，本文提出以下几种运行策略进行对比研究：

1）地源热泵单独运行模式，地源热泵承担冬季热负荷和夏季冷负荷。

2）常规运行模式，即冬季地源热泵承担热负荷，夏季地源热泵正常运行，当地埋管出水温度达到 32℃时打开冷却塔辅助运行。

3）夏季地源热泵与冷却塔同时运行，共同承担夏季冷负荷，冬季开启地源热泵承担建筑热负荷。

4）由于商铺空调开启时间为10:00-22:00，住宅空调开启时间为18:00- 第二天 8:00，故夏季冷却塔定时运行，在7:00-11:00；17:00-23:00 开启冷却塔，其余时间关闭冷却塔。

3 系统仿真模拟结果及分析

3.1 地源热泵单独运行模拟结果分析

由图4、5可看出，在只由地源热泵承担冷热负荷的情况下，连续运行 20年后，地埋管出口流体最高温度由45.6 ℃上升到64.2 ℃，上升了18.6 ℃。热泵出口流体最高温度由60 ℃上升到69.5 ℃，上升了 9.5 ℃，然而地源热泵系统的工程技术规范建议的最高地埋管出口水温夏季应小于 33 ℃[4]，该运行模式超过了33 ℃。这样会导致热泵冷凝温度过高，从 而使热泵的COP下降。

图4 地埋管出口流体最高温度对比图

图5 热泵出口流体最高温度对比图

由图6可知，该模式地源热泵夏季平均COP由第一年的 4.15 下降到第 20 年的 3.89，下降幅度达6.3%。

图6 热泵机组COP对比图

图7可看出，土壤年最高温度由26.8 ℃上升到45.4℃，20年内土壤温度上升了18.6 ℃。土壤温度的上升不仅导致了土壤的热堆积，而且降低了热泵的运行效率，甚至会减少热泵的寿命，对于系统的长期运行非常不利。

图7 年平均土壤最高温度对比图

3.2 复合系统间歇运行模拟结果分析

由图4可以看出，策略三的地埋管出口流体最高温度为30.4 ℃，为三种复合系统中最低的，相比策略一下降了52.6%。其中，模式二的控制策略为当地埋管出水温度达到32℃时打开冷却塔辅助运行，而由图中可以看出该策略在20年的运行过程中，每年地埋管出水的最高温度都是高于32 ℃的，且可以保持每年的温度基本不变，维持在32 ℃左右，说明这一控制策略有一定的可行性。

由图5可以看出，由于冷却塔的持续运行，策略三的热泵机组获得了较低的冷却水进口温度，因此该模式下热泵出口流体最高温度为33.6 ℃，相比策略一下降了51.7%，下降幅度最大。其中，策略四选取商业和住宅复合的高峰时段开启冷却塔的间歇运行模式，也获得了一定的改善温升的效果，但相比策略二和策略三，效果还是不够明显。

地埋管流体出口温度和热泵流体出口温度的降低可以有效提高热泵的COP，降低压缩机的能耗。图6可以很明显的看出，复合系统采取间歇运行策略的系统热泵 COP 要高于地源热泵单独承担冷热负荷的连续运行系统的COP值。

在土壤温度方面，由图 7 所示，策略二由23.9 ℃上升到 25.5 ℃，策略三由20.7 ℃下降到 20.3 ℃，策略四由23.7 ℃上升到27.6 ℃，由于冷却塔的辅助散热和蓄冷作用，三种复合系统的土壤温度均比策略一有了明显的下降，其中策略三的土壤温度甚至有了下降的趋势。

由图8 可以看出，经过 20 年的运行后，使用复合系统并间歇运行的策略，地埋管出口流体最高温度，热泵出口流体最高温度和土壤年平均最高温度和策略一相比均有了不同程度的降低。

图8 第20年模拟结果对比图

如上所示，使用冷却塔辅助散热并采取间歇运行策略可以有效的缓解土壤热不平衡问题，提高热泵机组的运行效率。其中，策略三的模拟结果各项数据较优，可对其进行经济性分析，进一步验证冷却塔复合地源热泵系统节能、经济的特性。

4 结论

1）最大热负荷仅为最大冷负荷的40%～60%，所以不得不重视夏热冬冷地区地源热泵系统全年运行热平衡问题。

2）当土壤热平衡问题严重时，地源热泵系统的机组效率会大大降低，导致能耗增加，机组寿命减短。

3）在地源热泵系统中添加冷却塔做辅助散热装置，并采取间歇运行的策略可以有效缓解土壤热不平衡，提高热泵机组效率，有利于系统的长期稳定运行。

4）仿真结果表明，策略三每年的土壤温度变化较小，20年内土壤温度基本保持不变，较其他几种运行策略改善温升的效果明显，每年土壤温度基本可以恢复至年初时的土壤温度水平。