基于土壤冷热平衡的复合能源系统运行策略研究

北京市勘察设计研究院有限公司 魏俊辉 褚 赛 刘启明 申雪云 鲍 超

0 引言

地埋管地源热泵系统由于具有高效节能、安全稳定、运行费用低等优点得到了广泛应用。地埋管地源热泵系统理想的运行情况是一年中系统冬季从土壤中的取热量与夏季释放到土壤中的热量平衡，地埋管换热器长时间运行后不会引起土壤平均温度的变化。GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》规定：“地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡”[1]。但由于各地气象条件、建筑围护结构及使用功能不同，引起了建筑冷、热负荷的不平衡，从而导致地埋管周围土壤温度出现逐年上升或下降的趋势，直接导致地源热泵系统性能系数下降，耗电量增加，甚至导致系统无法正常运行。目前，地源热泵土壤排/取热量不平衡问题，已成为国内外学者共同关注的课题。

地埋管地源热泵运行特性受诸多因素影响，虽然有关学者对此进行了大量研究[2]，并且研究结果表明通过调节管间距、埋管深度或者增加土壤和回填料导热系数都可缓解冷热量不平衡问题，但未能从根本上解决问题[3]。基于工程项目中暴露出的冷热不平衡问题，许多学者从系统形式设计上提出了复合能源解决方案：针对冬季热负荷大于夏季冷负荷的北方地区，利用市政热力、燃气锅炉、空气源热泵、太阳能等与地埋管地源热泵系统进行耦合；而对于夏季冷负荷明显大于冬季热负荷的南方地区，则借助冷水机组、空气源热泵与地埋管地源热泵系统进行耦合。

与传统地源热泵系统相比，复合能源系统既能解决土壤热失衡问题，提高系统运行效率，又能降低系统初投资。然而，土壤冷热平衡不仅与复合能源系统中地源热泵系统的能源占比有关，更与地源热泵系统运行时间有关，因此，复合能源系统运行策略的研究就显得尤为重要。本文以北京市某宿舍楼为例，利用DeST软件计算了全年逐时动态负荷，采用GLD(ground loop design)软件模拟了系统不同控制策略下的运行状态，得出了既能满足土壤冷热平衡需求，又能保证系统高效运行的最佳运行策略。

1 工程概况

案例项目为北京市某高端艺术中心配套宿舍建筑，共含3栋布局相同的宿舍楼。每栋建筑面积5 750.8 m2，空调面积3 275.6 m2，地上8层，地下3层，建筑高度30 m。根据甲方需求、工程项目实际情况及节能需求，拟采用地埋管地源热泵系统为主要能源，为建筑提供冷热源。地埋管换热器选用公称直径32 mm的高密度聚乙烯(HDPE100)双U形管，有效埋深150 m，孔间距不小于4.2 m，孔径不小于150 mm，回填料为膨润土和细砂的混合浆，钻孔时取出的泥砂浆凝固后若收缩量很小，也可用作回填料。地埋管换热系统根据土壤热物性参数及建筑动态负荷计算结果进行设计。

2 负荷模拟

2.1 模型建立

负荷模拟采用DeST软件，根据相关建筑图纸，在DeST中建立三维拓扑模型，如图1所示。

图1 建筑三维拓扑模型

2.2 计算结果

将建筑地理位置、围护结构类型、热工参数、房间功能、室内设计参数(夏季25 ℃、冬季18 ℃)、室内热扰参数、全年热扰及空调系统作息模式等输入模型，在DeST软件中进行全年8 760 h的逐时动态负荷模拟，计算出建筑全年逐时动态冷热负荷分布。根据北京地区气候特点及建筑使用功能，确定该项目供冷时间为5月15日至9月15日共计4个月，供暖时间为11月15日至次年3月15日共计4个月，空调系统全天24 h运行。其余时间为过渡季，无需供冷及供暖。该项目动态负荷分布如图2所示。

图2 动态负荷分布

由动态负荷分布计算出该楼峰值冷负荷为1 740.40 kW，峰值热负荷为576.29 kW；累计冷负荷为773 213.66 kW·h，累计热负荷为670 306.04 kW·h。该项目单位空调面积冷负荷指标为177.1 W/m2，较一般的北京市居住建筑冷负荷指标高，经分析主要由空调室内设计温度、室内灯光照度、人员及人均散热量等三方面因素造成：空调室内设计温度25 ℃，较一般设计温度26 ℃低，室内外空气温差导致的经围护结构传入的热量大；室内灯光照度500 lx，较一般设定照度50～200 lx大，照明散热冷负荷大；人员密度及人均散热量分别为10 m2/人、67 W/人，较一般设定10～20 m2/人、50～60 W/人大，人体散热冷负荷偏大。

若采用单独地源热泵系统为建筑冬季供暖、夏季供冷，全年向土壤的排热量为927 856.40 kW·h，全年从土壤的取热量为502 729.53 kW·h，全年排/取热不平衡率为45.82%。由此可知，该项目夏季的排热量远大于冬季的取热量，长期运行后，排/取热的不平衡将导致作为冷源的地埋管周围土壤温度逐年升高而形成热堆积，地源热泵机组运行效率逐年下降，最终系统难以正常运行。

除了土壤热失衡这一现实性技术难题，初投资大是抑制地源热泵系统不能大面积推广应用的又一重要原因。相比传统的冷水机组，地源热泵系统地埋管换热器的埋管敷设投资不具有优势。对于该项目而言，如果单独采用地源热泵系统为建筑冬季供暖、夏季供冷，势必会按照较大的全年冷负荷需求来设计埋管长度，埋管的换热量在冬季供暖期远远大于其建筑热负荷需求。这样不但不能保证系统高效运行，还大大增加了系统初投资[4]。另外，增加埋管敷设长度也占用大量的土地面积，在如今建筑数量密集、土地使用紧张的大城市，地源热泵的应用会受到一定程度的影响。

3 方案设计

为解决排/取热量不平衡的问题，使地源热泵系统更加高效地运行，采用地源热泵系统加辅助冷源来提高地源热泵系统的效率和节能水平，同时降低系统的初投资。

通过上述热平衡分析，结合计算得出的冬夏季冷热负荷差值，采用地源热泵+冷水机组的复合能源形式为建筑提供冷热源。冬季单独运行地源热泵系统为建筑供暖，夏季地源热泵系统与冷水机组系统并联运行为建筑供冷，地埋管数量根据冬季负荷确定。该复合系统的原理如图3所示。夏季制冷工况下，该复合系统既能稳定联合运行，又能降低末端循环水泵并联运行的流量折减。经过合理计算匹配，主机设备的选型参数如表1所示。

1.地源热泵机组；2.冷水机组；3.空调侧循环水泵；4.地源侧循环水泵；5.冷却塔侧循环水泵；6.冷却塔；7.定压补水装置；V1～12.阀门。图3 地源热泵+冷水机组复合能源系统原理

表1 主机设备选型参数

4 运行策略

4.1 温度控制策略

在以往研究中，有学者以主要能源机组回水温度为控制参数，制定了相应的运行策略。在机组运行过程中对回水温度进行设定，当运行温度高于此温度并保持一定时间，且监测到机组满负载率运行时，表明单独运行主要能源系统无法满足负荷需求，需要辅助能源进行调峰，此时开启辅助能源系统。当运行温度低于此温度并保持一定时间时，关闭辅助能源系统。

此种运行策略以温度为监控点，以某一种能源形式承担基础负荷，另一种能源形式作为调峰使用，通过监测温度确定辅助能源的启停。对于该复合能源系统而言，有2种运行方案：第一种是以地源热泵系统承担基础负荷，冷水机组作为调峰使用；第二种是以冷水机组承担基础负荷，地源热泵系统作为调峰使用。

4.1.1地源热泵系统承担基础负荷

在夏季部分负荷时先运行地埋管地源热泵系统，通过监测机组回水温度及机组负载率，判定单独运行地源热泵系统能否满足建筑负荷需求。当负荷增大、无法满足设计工况时开启冷水机组系统进行调峰。

各个系统承担的负荷如图4所示，该方案的优点是发挥了地源热泵系统环保、高效、节能的作用，降低了系统运行费用。

图4 地源热泵系统承担基础负荷时各种能源承担的负荷

如图4所示，在该种运行策略下，地源热泵系统承担的峰值冷负荷为581.85 kW，承担的累计冷负荷为713 891.16 kW·h；地源热泵系统承担全部热负荷，承担的峰值热负荷为576.29 kW，承担的累计热负荷为670 306.04 kW·h。地源热泵系统全年向土壤排热量为856 669.39 kW·h，从土壤取热量为502 729.53 kW·h，全年排/取热不平衡率为41.32%。

地埋管系统设计选用GLD软件。GLD是一种模块化的地源热泵系统地下环路设计专业软件，可用于大、中、小型商业建筑、居住建筑竖直埋管、水平埋管和地表水等多种地源热泵系统的设计和施工。将系统供冷季/供暖季峰值负荷、各月累计负荷、设计温度和流量下的热泵参数，如热泵制冷/热量、制冷/热功率、机组COP/EER，以及流体参数、土壤参数、U形管参数、布孔型式等信息输入软件进行计算，获得钻孔全长、井孔数、井孔深度、进水温度和出水温度等结果及系统运行10 a井群区域内土壤温度的变化。

GLD软件输入参数、模拟结果分别如表2、3所示。该系统共需设计地埋孔延米数为17 234 m，系统运行10 a井群区域内土壤温升为1.6 ℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温度将升高3～4 ℃。有资料[4]显示，土壤温度每升高1 ℃，系统效率将降低3%～4%，在地源热泵系统的全寿命周期内，系统效率将降低12%～15%。长期运行，系统效率将逐年下降，最终超出机组的运行温度，无法正常运行。

表2 地源热泵系统承担基础负荷时GLD软件输入参数

表3 地源热泵系统承担基础负荷时GLD软件模拟结果

4.1.2冷水机组承担基础负荷

在夏季部分负荷时优先运行冷水机组系统，通过监测机组回水温度及机组负载率，判定单独运行冷水机组系统能否满足建筑负荷需求。当负荷增大、无法满足设计工况时开启地埋管地源热泵系统进行调峰。

各个系统承担的负荷如图5所示。该方案的优点是冷水机组可以充分运行在室外干、湿球温度相对较低的时段，提高了运行效率。

图5 冷水机组承担基础负荷时各种能源承担的负荷

如图5所示，在该种运行策略下，地源热泵系统承担的峰值冷负荷为525.4 kW，承担的累计冷负荷为2 767.96 kW·h；地源热泵系统承担全部热负荷，承担的峰值热负荷为576.29 kW，承担的累计热负荷为670 306.04 kW·h。地源热泵系统全年向土壤的排热量为3 321.56 kW·h，从土壤的取热量为502 729.53 kW·h，全年排/取热不平衡率为99.34%。

GLD软件输入参数、模拟结果分别如表4、5所示。该系统共需设计地埋孔延米数为26 481 m，较地源热泵系统承担基础负荷方案增加了53.91%。系统运行10 a井群区域内土壤温升为1.9 ℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温度将升高4～5 ℃。地源热泵系统的全寿命周期内，系统效率将降低15%～20%。长期运行，系统效率将逐年下降，最终超出机组的运行温度，无法正常运行。

表4 冷水机组承担基础负荷时GLD软件输入参数

表5 冷水机组承担基础负荷时GLD软件模拟结果

根据以上计算分析可知：

1) 系统全年排/取热不平衡率越高，所需地埋孔延米数越长，土壤温度波动越明显；

2) 单纯采用温度控制的运行策略，不管是以地源热泵系统承担基础负荷，还是以冷水机组系统承担基础负荷，都无法彻底解决土壤全年取排热不平衡的问题。

因此，笔者提出分时段-温度控制概念，采用温度与时间双重控制系统运行策略，来解决系统全年排/取热不平衡的问题。

4.2 分时段-温度控制运行策略

分时段-温度控制指根据一年中不同季节或一天中的不同时段来控制机组的启停，为了避免发生水环路温度过高的情况，用设定机组最高回水温度的控制方法作为补充。

分时段-温度控制需要结合建筑所在区域的气候条件和全年日负荷等数据制定系统的运行策略，以提高系统的运行效率。对于该系统，当室外湿球温度较低时，可以优先冷水机组运行，充分发挥冷却塔向低温环境排热的优势，给予地埋管土壤温度恢复的时间，避免埋管周围热量堆积。

分时段-温度控制有很多方式，主要分为2类：

一类是根据一天中不同时段控制机组的启停，例如考虑到夜间(例如00：00—06：00)室外湿球温度较低，可以优先运行冷水机组；另一类是根据一年中不同季节控制机组的启停，例如在初夏，室外湿球温度较低时，可以优先运行冷水机组，在夏末，地埋管周围土壤温度已经升高，冷负荷处于较低的水平，继续让地埋管工作会导致热泵系统的运行效率降低，此时可以让冷水机组优先运行，让其承担这部分较低的冷负荷，使得系统整体运行达到最优。

本文以根据一年中不同季节控制机组启停方式为例进行分析，在初夏或夏末时单独运行冷水机组，在其他时间段，地源热泵机组承担基础负荷，冷水机组作为调峰使用。

该方案的优点在于既充分利用了室外干、湿球温度相对较低时段，提高了冷水机组的运行效率，又充分发挥了地源热泵系统环保、高效、节能的优点，降低了系统的运行费用。

各个系统承担的负荷如图6所示。在5月15日至6月15日的初夏及8月15日至9月15日的夏末单独运行冷水机组，其他时间段，地源热泵机组承担基础冷负荷，冷水机组作为调峰使用，能解决系统全年排/取热不平衡的问题。

图6 不同季节控制机组启停方式各种能源承担的负荷

如图6所示，在该种运行策略下，地源热泵系统承担的峰值冷负荷为581.85 kW，承担的累计冷负荷为494 043.70 kW·h；地源热泵系统承担全部热负荷，峰值热负荷为576.29 kW，累计热负荷为670 306.04 kW·h。地源热泵系统全年向土壤的排热量为592 851.24 kW·h，从土壤的取热量为502 729.53 kW·h，全年排/取热不平衡率为15.2%。

GLD软件输入参数、模拟结果分别如表6、7所示。该系统共需设计地埋孔延米数约为17 234 m，系统运行10 a井群区域内土壤温升为0.2 ℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温升仅为0.4～0.5 ℃。因此，在全寿命周期内，地源热泵系统能够高效稳定运行。

表6 不同季节控制机组启停方式GLD软件输入参数

表7 不同季节控制机组启停方式GLD软件模拟结果

5 结论

1) 系统全年排/取热不平衡率越高，所需地埋孔延米数越长，土壤温度波动越明显。

2) 单纯采用温度控制的运行策略，不管是以哪种能源形式承担基础负荷，都无法彻底解决全年排/取热不平衡的问题。

3) 采用分时段-温度控制，即温度与时间双重控制运行策略，能够解决全年排/取热不平衡的问题。

4) 分时段-温度控制需要结合建筑所在区域的气候条件和全年日负荷等数据制定系统的运行策略，以提高系统的运行效率。