徐衛(wèi)榮 夏卓平 邱建中

土壤源熱泵系統(tǒng)運行策略及優(yōu)化分析

徐衛(wèi)榮 夏卓平 邱建中

（江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司 南京 210019）

針對土壤源熱泵系統(tǒng)供冷工況運行控制策略多樣，系統(tǒng)能耗受策略影響較大，導(dǎo)致實際運行能耗較難達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的問題，對系統(tǒng)常規(guī)運行策略能耗進(jìn)行了分析。在溫差控制策略的基礎(chǔ)上，提出基于優(yōu)先采用低品位熱源的原理，對運行控制策略進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：供冷工況系統(tǒng)運行能耗較地埋管優(yōu)先、冷卻塔優(yōu)先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

土壤源熱泵；能耗；運行策略；節(jié)能優(yōu)化；空調(diào)耗電量

0 引言

土壤源熱泵系統(tǒng)具有較高的運行能效比，是有效降低建筑能耗的建筑節(jié)能技術(shù)之一[1-3]。但地埋管運行時土壤溫度對熱泵系統(tǒng)運行能耗影響較大，且地下土壤換熱及溫度恢復(fù)過程復(fù)雜[4,5]，土壤源熱泵系統(tǒng)在供冷工況下，地埋管及冷卻塔組合運行方式多樣，導(dǎo)致部分工程實際運行效果較差，運行能耗偏高。因此有必要對土壤源熱泵系統(tǒng)供冷工況的運行控制策略進(jìn)行分析，通過合理優(yōu)化地埋管及冷卻塔間隙運行方案，在系統(tǒng)設(shè)計條件無需做較大調(diào)整的前提下，進(jìn)一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)全年運行能耗，從而為該系統(tǒng)的運行管理提供理論指導(dǎo)。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理與設(shè)計

1.1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理

土壤源熱泵系統(tǒng)以土壤為環(huán)境冷熱源，向用戶提供空調(diào)制冷或供熱功能[6]，該系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1中，通過V1～V10閥門狀態(tài)的切換，實現(xiàn)空調(diào)供熱時通過地埋管從土壤吸熱，空調(diào)制冷時通過地埋管或冷卻塔向環(huán)境放熱，系統(tǒng)另設(shè)置冷卻塔輔助散熱以實現(xiàn)土壤全年換熱平衡。

1—熱泵機組冷凝器；2—熱泵機組蒸發(fā)器；3—地埋管側(cè)循環(huán)泵；4—冷卻塔側(cè)循環(huán)泵；5—用戶側(cè)循環(huán)泵；6—地埋管換熱器；7—分水器；8—集水器；9—閉式冷卻塔

1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

選定采用土壤源熱泵系統(tǒng)的某綜合樓進(jìn)行分析，其空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷為3494kW，熱負(fù)荷為1777kW，另有穩(wěn)定的熱水需求負(fù)荷為498kW。設(shè)計地埋管深度=100m，共850口井。選用2臺額定工況制冷量為1280kW，制熱量為1410kW的地源熱泵機組，和1臺額定工況制冷量為1280kW的單冷冷水機組，另選用1臺額定流量為280m3/h的閉式冷卻塔進(jìn)行輔助散熱。冷卻塔與地埋管并聯(lián)管路上的閥門為電動二通閥，機組運行時間為工作日7～18時[7]。

建立土壤源熱泵系統(tǒng)運行數(shù)學(xué)模型[8-13]，并根據(jù)項目現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)驗證了模型的準(zhǔn)確性[8-9,14]，通過該模型對系統(tǒng)運行策略能耗進(jìn)行分析，以下分析均以土壤全年換熱平衡為前提[15]。

2 常規(guī)運行策略能耗分析

本工程土壤源熱泵系統(tǒng)空調(diào)供熱工況從土壤吸熱量小于空調(diào)制冷工況向土壤的排熱量，夏季需開啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱，因此運行控制策略能耗分析針對夏季地埋管和冷卻塔復(fù)合運行方式。常規(guī)復(fù)合運行策略有地埋管優(yōu)先運行、冷卻塔優(yōu)先運行、熱泵機組冷卻進(jìn)水溫度與環(huán)境濕球溫度溫差控制運行[16]。

2.1 地埋管優(yōu)先運行

在空調(diào)供冷季優(yōu)先運行地埋管放熱，為保證土壤換熱平衡，后期開啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱。

地埋管優(yōu)先運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計運行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖2所示。

圖2 地埋管優(yōu)先運行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計能耗曲線

圖2表明，地埋管優(yōu)先運行策略下，因地埋管連續(xù)運行，在空調(diào)供冷季運行初期土壤溫度較高，隨著后期運行冷卻塔系統(tǒng)進(jìn)行輔助散熱，以及供冷季末期空調(diào)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度逐漸降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運行能耗為13.89kWh/m2。

2.2 冷卻塔優(yōu)先運行

在空調(diào)供冷季優(yōu)先運行冷卻塔進(jìn)行平衡散熱，后期開啟地埋管系統(tǒng)向土壤放熱。

冷卻塔優(yōu)先運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計運行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖3所示。

圖3 冷卻塔優(yōu)先運行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計能耗曲線

圖3表明，冷卻塔優(yōu)先運行策略下，因冷卻塔提前開啟進(jìn)行輔助散熱，在空調(diào)供冷季運行初期土壤溫度較低，隨著后期地埋管系統(tǒng)投入連續(xù)運行，土壤溫度逐漸升高，同時由于供冷季末期空調(diào)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運行能耗為14.01kWh/m2。

2.3 溫差控制

溫差控制通過熱泵機組冷卻水進(jìn)水溫度與當(dāng)?shù)貪袂驕囟鹊牟钪祵崿F(xiàn)運行控制。當(dāng)冷卻進(jìn)水溫度與周圍空氣濕球溫度的溫差大于某一數(shù)值時，開啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱，否則關(guān)閉冷卻塔。

溫差控制運行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計運行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖4所示。

圖4 溫差控制運行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計能耗曲線

圖4表明，溫差控制運行策略下，冷卻塔和地埋管系統(tǒng)實現(xiàn)間隙運行，土壤溫度在空調(diào)供冷季運行初期較低，隨著系統(tǒng)空調(diào)冷負(fù)荷的增大及環(huán)境濕球溫度的提高，地埋管系統(tǒng)投入連續(xù)運行，土壤溫度逐漸升高，同時供冷季末期空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運行能耗為13.46kWh/m2。

3 節(jié)能運行控制策略優(yōu)化

由常規(guī)運行策略能耗分析可知，土壤源熱泵系統(tǒng)夏季地埋管和冷卻塔復(fù)合運行方式，不同的運行控制策略產(chǎn)生的運行能耗結(jié)果相差較大，因此有必要對系統(tǒng)運行控制策略進(jìn)行優(yōu)化，從而在不改熱泵機組設(shè)計容量的前提下，進(jìn)一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)運行能耗。

3.1 節(jié)能運行優(yōu)化原理

空調(diào)供冷季內(nèi)，優(yōu)先采用低品位熱源。在環(huán)境濕球溫度較低時，優(yōu)先開啟冷卻塔輔助散熱，減少土壤熱量存儲，使土壤溫度保持于低位狀態(tài)，在環(huán)境濕球溫度較高的時段優(yōu)先開啟地埋管系統(tǒng)，同時結(jié)合溫差控制，使熱泵機組冷卻水溫度處于較低狀態(tài)，從而提高機組制冷性能系數(shù)。

3.2 節(jié)能運行優(yōu)化條件及流程

節(jié)能運行優(yōu)化需交替運行地埋管及冷卻塔系統(tǒng)，為避免冷卻塔系統(tǒng)循環(huán)水污染地埋管系統(tǒng)，保證地埋管系統(tǒng)水質(zhì)，設(shè)計需選用閉式冷卻塔，同時冷卻塔水系統(tǒng)管路同地埋管系統(tǒng)并聯(lián)，通過電動二通閥門實現(xiàn)系統(tǒng)切換。土壤源熱泵系統(tǒng)控制策略優(yōu)化運行流程如圖5所示。

圖5 節(jié)能運行優(yōu)化流程圖

圖中為運行時刻，h；s為室外空氣濕球溫度，℃；c為冷卻塔優(yōu)先運行控制溫度，℃；LQ2為冷卻水平均溫度，℃；WC為控制冷卻塔運行的濕球溫差，℃。

4 優(yōu)化運行能耗分析

4.1 系統(tǒng)運行能耗

控制策略節(jié)能運行優(yōu)化后，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計運行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖6所示。

圖6表明，節(jié)能優(yōu)化運行后，因冷卻塔系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)實現(xiàn)間隙運行，土壤溫度保持在穩(wěn)定的低位區(qū)間內(nèi)波動，且土壤最高溫度低于常規(guī)運行控制策略，日累計運行能耗ΣC增幅較緩。節(jié)能優(yōu)化策略下，空調(diào)供冷工況運行能耗為13.35kWh/m2。

圖6 優(yōu)化運行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計能耗曲線

4.2 運行節(jié)能優(yōu)化效果

不同運行控制策略下土壤最高日平均溫度分析如表1所示。

表1 不同運行策略下土壤最高日平均溫度分布表

注：max1、max2、max3、max4、max5為土壤最高日平均溫度前5個值

表1表明，運行策略優(yōu)化后土壤最高溫度低于地埋管優(yōu)先運行、冷卻塔優(yōu)先運行及溫差控制運行策略。不同運行控制策略下能耗分析如圖7。

圖7 不同運行策略下能耗結(jié)果

節(jié)能運行優(yōu)化后，系統(tǒng)運行能耗較地埋管優(yōu)先策略下降低3.89%，較冷卻塔優(yōu)先策略下降低4.71%，較溫差控制策略下降低0.82%。

5 結(jié)論

根據(jù)建立的土壤源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選定某綜合樓對該系統(tǒng)常規(guī)運行控制策略進(jìn)行分析，地埋管優(yōu)先運行、冷卻塔優(yōu)先運行、溫差控制策略下，空調(diào)供冷工況運行能耗分別為13.89kWh/m2、14.01kWh/m2、13.46kWh/m2。針對不同的運行控制策略產(chǎn)生的運行能耗結(jié)果相差較大的問題，基于優(yōu)先采用低品位熱源的原理，對運行控制策略進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。優(yōu)化后，系統(tǒng)供冷工況運行能耗較地埋管優(yōu)先、冷卻塔優(yōu)先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

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Operation Strategy and Optimization Analysis of Ground Source Heat Pump System

Xu Weirong Xia Zhuoping Qiu Jianzhong

( Jiangsu Provincial architectural D&R Institute Ltd, Nanjing, 210019 )

According to multiple control strategy influencing energy consumption on cooling mode and inaccessibility to the design target in ground source heat pump system operating, conventional operation energy consumption of the system is analyzed.On the premise of temperature difference control, operation strategy is optimized based on the principle of low-grade heat source used in preference. The results show that cooling operation energy consumption decreased respectively 3.89%, 4.71%, 0.82% compared with buried pipe priorityoperation, cooling tower priorityoperation, temperature difference controloperation.

ground source heat pump; energy consumption; operation strategy; energy saving optimizing; air conditioning power consumption

1671-6612（2020）06-703-04

TK529

A

徐衛(wèi)榮（1983.7-），男，碩士，高級工程師，E-mail：xuweirong001@163.com

2020-03-27