湯思益 張丹丹 鐘華祥 張坤 李潔 李維

1 南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

2 南京建鄴城鎮(zhèn)建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司

0 引言

隨著綠色節(jié)能建筑概念理解的深入和研究的推進(jìn)，地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)實(shí)際工程中的應(yīng)用面臨著越來越大的考驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)上的缺陷，大部分的地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際都沒有能達(dá)到預(yù)期節(jié)能的目標(biāo)[1]。和技術(shù)較為成熟的冷水機(jī)組系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)有更多的外在擾動因素和不可控性，所以在還沒有出現(xiàn)系統(tǒng)明確的設(shè)計(jì)方法之前，針對不同的項(xiàng)目，因地制宜地對既有地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。目前，國內(nèi)外已有很多學(xué)者對地源熱泵的運(yùn)行策略進(jìn)行研究。其中Yavuzturk[2]使用短步長模型對無輔助散熱和復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行模擬并對比分析，得出了復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了多個(gè)針對復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的研究方向。程曉曼[3]使用TRNSYS軟件對辦公建筑的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)模擬研究，討論了土壤蓄冷對系統(tǒng)的影響。

本文以夏熱冬冷地區(qū)某商業(yè)和住宅復(fù)合型建筑群復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，使用能耗模擬軟件DeST分別模擬計(jì)算了地下商業(yè)和地上住宅部分的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷。該項(xiàng)目地下一層和地上一層為商鋪，地上二至六層為住宅。采用冷卻塔輔助換熱的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要設(shè)備選用制冷量為5.7～12.9 kW的整體式水源熱泵機(jī)組69臺，制冷量為15.5～42.7 kW的小型地源熱泵一體機(jī)249 臺（不考慮生活熱水），冷卻水量為300 m 3/h的閉式冷卻塔 1臺，D25雙U地埋管換熱器681個(gè)，埋深100.5 m，間距 4.5 m×5 m。

1 模型建立

本文使用TRNSYS作為模擬工具，在其模擬平臺Simulation Studio中搭建系統(tǒng)模型時(shí)，先根據(jù)仿真的系統(tǒng)，建立系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)備模型中的所有參數(shù)，然后按照實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)備布置連接情況，連接各設(shè)備模型，并模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況，將模擬值與實(shí)際測試值進(jìn)行對比，不斷調(diào)試模型，直到誤差處于可以接受的范圍內(nèi)，即完成系統(tǒng)仿真模型的搭建。初始土壤溫度設(shè)置為18 ℃，模擬了系統(tǒng)20年的運(yùn)行狀況，仿真以1 小時(shí)為一個(gè)步長，總共有 175200 個(gè)步長。仿真模型見圖1，其中虛線部分的連接為系統(tǒng)控制部件的連接。

圖1 復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)仿真系統(tǒng)模型

2 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及分析

本建筑群全年逐時(shí)負(fù)荷如圖2、圖3所示。由圖可以看出，住宅側(cè)最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在7月19日的23:00，達(dá)到5006 kW。商業(yè)側(cè)最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在7月21日的15:00，達(dá)到909 kW。住宅側(cè)的冷負(fù)荷主要集中在7、8月份，商業(yè)側(cè)負(fù)荷的70%～90%來自于新風(fēng)的處理，來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分的負(fù)荷有明顯的熱偏移現(xiàn)象。

采暖期住宅側(cè)最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在2月3日的9:00，達(dá)到3085 kW。商業(yè)側(cè)最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在1月8日的8:00，達(dá)到392 kW。最大熱負(fù)荷僅為最大冷負(fù)荷的40%～60%，所以不得不重視夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行熱平衡問題。

圖2 住宅部分的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖3 商業(yè)部分的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

因此，本文提出以下幾種運(yùn)行策略進(jìn)行對比研究：

1）地源熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式，地源熱泵承擔(dān)冬季熱負(fù)荷和夏季冷負(fù)荷。

2）常規(guī)運(yùn)行模式，即冬季地源熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷，夏季地源熱泵正常運(yùn)行，當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟冗_(dá)到 32℃時(shí)打開冷卻塔輔助運(yùn)行。

3）夏季地源熱泵與冷卻塔同時(shí)運(yùn)行，共同承擔(dān)夏季冷負(fù)荷，冬季開啟地源熱泵承擔(dān)建筑熱負(fù)荷。

4）由于商鋪空調(diào)開啟時(shí)間為10:00-22:00，住宅空調(diào)開啟時(shí)間為18:00- 第二天 8:00，故夏季冷卻塔定時(shí)運(yùn)行，在7:00-11:00；17:00-23:00 開啟冷卻塔，其余時(shí)間關(guān)閉冷卻塔。

3 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)果及分析

3.1 地源熱泵單獨(dú)運(yùn)行模擬結(jié)果分析

由圖4、5可看出，在只由地源熱泵承擔(dān)冷熱負(fù)荷的情況下，連續(xù)運(yùn)行 20年后，地埋管出口流體最高溫度由45.6 ℃上升到64.2 ℃，上升了18.6 ℃。熱泵出口流體最高溫度由60 ℃上升到69.5 ℃，上升了 9.5 ℃，然而地源熱泵系統(tǒng)的工程技術(shù)規(guī)范建議的最高地埋管出口水溫夏季應(yīng)小于 33 ℃[4]，該運(yùn)行模式超過了33 ℃。這樣會導(dǎo)致熱泵冷凝溫度過高，從 而使熱泵的COP下降。

圖4 地埋管出口流體最高溫度對比圖

圖5 熱泵出口流體最高溫度對比圖

由圖6可知，該模式地源熱泵夏季平均COP由第一年的 4.15 下降到第 20 年的 3.89，下降幅度達(dá)6.3%。

圖6 熱泵機(jī)組COP對比圖

圖7可看出，土壤年最高溫度由26.8 ℃上升到45.4℃，20年內(nèi)土壤溫度上升了18.6 ℃。土壤溫度的上升不僅導(dǎo)致了土壤的熱堆積，而且降低了熱泵的運(yùn)行效率，甚至?xí)p少熱泵的壽命，對于系統(tǒng)的長期運(yùn)行非常不利。

圖7 年平均土壤最高溫度對比圖

3.2 復(fù)合系統(tǒng)間歇運(yùn)行模擬結(jié)果分析

由圖4可以看出，策略三的地埋管出口流體最高溫度為30.4 ℃，為三種復(fù)合系統(tǒng)中最低的，相比策略一下降了52.6%。其中，模式二的控制策略為當(dāng)?shù)芈窆艹鏊疁囟冗_(dá)到32℃時(shí)打開冷卻塔輔助運(yùn)行，而由圖中可以看出該策略在20年的運(yùn)行過程中，每年地埋管出水的最高溫度都是高于32 ℃的，且可以保持每年的溫度基本不變，維持在32 ℃左右，說明這一控制策略有一定的可行性。

由圖5可以看出，由于冷卻塔的持續(xù)運(yùn)行，策略三的熱泵機(jī)組獲得了較低的冷卻水進(jìn)口溫度，因此該模式下熱泵出口流體最高溫度為33.6 ℃，相比策略一下降了51.7%，下降幅度最大。其中，策略四選取商業(yè)和住宅復(fù)合的高峰時(shí)段開啟冷卻塔的間歇運(yùn)行模式，也獲得了一定的改善溫升的效果，但相比策略二和策略三，效果還是不夠明顯。

地埋管流體出口溫度和熱泵流體出口溫度的降低可以有效提高熱泵的COP，降低壓縮機(jī)的能耗。圖6可以很明顯的看出，復(fù)合系統(tǒng)采取間歇運(yùn)行策略的系統(tǒng)熱泵 COP 要高于地源熱泵單獨(dú)承擔(dān)冷熱負(fù)荷的連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)的COP值。

在土壤溫度方面，由圖 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 ℃，由于冷卻塔的輔助散熱和蓄冷作用，三種復(fù)合系統(tǒng)的土壤溫度均比策略一有了明顯的下降，其中策略三的土壤溫度甚至有了下降的趨勢。

由圖8 可以看出，經(jīng)過 20 年的運(yùn)行后，使用復(fù)合系統(tǒng)并間歇運(yùn)行的策略，地埋管出口流體最高溫度，熱泵出口流體最高溫度和土壤年平均最高溫度和策略一相比均有了不同程度的降低。

圖8 第20年模擬結(jié)果對比圖

如上所示，使用冷卻塔輔助散熱并采取間歇運(yùn)行策略可以有效的緩解土壤熱不平衡問題，提高熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率。其中，策略三的模擬結(jié)果各項(xiàng)數(shù)據(jù)較優(yōu)，可對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，進(jìn)一步驗(yàn)證冷卻塔復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的特性。

4 結(jié)論

1）最大熱負(fù)荷僅為最大冷負(fù)荷的40%～60%，所以不得不重視夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行熱平衡問題。

2）當(dāng)土壤熱平衡問題嚴(yán)重時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組效率會大大降低，導(dǎo)致能耗增加，機(jī)組壽命減短。

3）在地源熱泵系統(tǒng)中添加冷卻塔做輔助散熱裝置，并采取間歇運(yùn)行的策略可以有效緩解土壤熱不平衡，提高熱泵機(jī)組效率，有利于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4）仿真結(jié)果表明，策略三每年的土壤溫度變化較小，20年內(nèi)土壤溫度基本保持不變，較其他幾種運(yùn)行策略改善溫升的效果明顯，每年土壤溫度基本可以恢復(fù)至年初時(shí)的土壤溫度水平。