陳翔宇 敬麗君 王 軍 敬成君

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

0 引言

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，建筑面積不斷增加，建筑能耗也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國建筑能耗占全國能耗的21.10%[1]。地源熱泵作為一種利用低品位可再生能源的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，得到了廣泛的應(yīng)用。但單一的地源熱泵系統(tǒng)受到冬夏負(fù)荷差異造成的土壤熱不平衡影響，系統(tǒng)的能效會(huì)逐年降低。因此，地源熱泵系統(tǒng)通常會(huì)輔以其他空調(diào)系統(tǒng)配合使用，即復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。目前常見的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)主要是冷卻塔、冷水機(jī)組輔助地源熱泵，但存在效率較低、系統(tǒng)復(fù)雜、初投資大的問題。而空氣源輔助地源熱泵的復(fù)合式熱泵系統(tǒng)不僅可以解決兩種負(fù)荷矛盾情況下土壤的熱不平衡問題，而且適用地區(qū)范圍更廣。

對于一個(gè)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)來說，合理的運(yùn)行控制策略是能否達(dá)到節(jié)能目的，實(shí)現(xiàn)地埋管冬夏季取熱、吸熱平衡的關(guān)鍵。國內(nèi)外對于復(fù)式地源熱泵系統(tǒng)的控制方法主要分為三種：（1）設(shè)定溫度控制法；（2）溫差控制法；（3）時(shí)間控制法。喬衛(wèi)來[2]以南京某復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，通過能耗模擬軟件Energyplus 分析能耗認(rèn)為時(shí)間控制法能夠保證系統(tǒng)持續(xù)高效運(yùn)行。顧娟[3]等人基于TRNSYS 的仿真模型的構(gòu)建，提出了地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行3h 的系統(tǒng)。雖然時(shí)間控制法相對簡單，但其運(yùn)行時(shí)間無法與建筑逐時(shí)負(fù)荷相匹配，無論建筑負(fù)荷大小都將開啟空氣源，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性會(huì)較差。於繼康[4]則認(rèn)為在夏季空氣溫度較低的工況下，宜優(yōu)先運(yùn)行空氣源熱泵，減少地埋管排熱。在夏季空氣溫度較高的工況下，空氣源熱泵性能下降，宜優(yōu)先運(yùn)行地源熱泵，減少運(yùn)行能耗。李營[5]和Zhang[6]等人推薦熱泵進(jìn)口的流體溫度與周圍環(huán)境空氣濕球溫度之差控制。Zhou[7]等人通過構(gòu)建并驗(yàn)證了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的TRNSYS 模型，認(rèn)為最佳控制溫差ΔT=6℃。王新華[8]和周銘銘[9]都認(rèn)為地源側(cè)溫度控制能保證熱泵機(jī)組可靠和高效運(yùn)行。設(shè)定溫度控制法對復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)最為明確，可以結(jié)合地源熱泵機(jī)組的額定制冷量，充分利用地源熱泵高效節(jié)能的特性，有效地實(shí)現(xiàn)地埋管冬夏季吸排熱的平衡。曲云霞[10]研究表明地?zé)釗Q熱器的最高水溫以當(dāng)?shù)赝寥罍囟燃由?0℃為最高限度，但對于設(shè)定溫度值的確定沒有明確的定義。

目前，國內(nèi)外對于空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)設(shè)定溫度控制法的研究還較少，且缺乏對于該系統(tǒng)長時(shí)間數(shù)據(jù)的研究。本文提出了一種基于由EnergyPlus 軟件模擬得到的傳統(tǒng)地源熱泵地埋管空調(diào)季的逐時(shí)溫度，結(jié)合地源熱泵機(jī)組額定制冷量，確定地埋管出口溫度設(shè)定值的方法，并以成都某辦公建筑為例，優(yōu)化空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。

1 研究對象

模擬選取建筑為成都某辦公建筑，成都市屬于夏熱冬冷地區(qū)。該辦公建筑地上兩層，建筑層高4.8 米，如圖1所示。建筑總面積為1425.60m2，其中非空調(diào)區(qū)域?yàn)?70.54m2。房間功能主要為辦公室、會(huì)議室和大廳。從EnergyPlus 軟件全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬結(jié)果來看，本建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為185kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為96kW，具體結(jié)果如圖2所示。

圖1 某辦公建筑模型圖Fig.1 Model of an office building

圖2 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.2 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger of the ground source heat pump system

圖2 建筑全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷Fig.2 Office building year-on-year dynamic load

根據(jù)冷熱負(fù)荷分布情況，按照設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選擇地源熱泵機(jī)組一臺(tái)，地埋管按照設(shè)計(jì)熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，總長度為1800 米，需打井18 口，井深100 米?；谒x地源熱泵額定冷負(fù)荷，空氣源熱泵補(bǔ)充剩余的冷量。

2 模擬方法及條件

2.1 EnergyPlus 模型簡介

本文采取EnergyPlus 對建筑負(fù)荷、設(shè)備制冷量以及耗電量進(jìn)行模擬。1996年美國能源部開始籌劃基于DOE-2 和BLAST 開發(fā)EnergyPlus，2001年發(fā)布了EnergyPlusVersion1.0，目前已經(jīng)更新到EnergyPlus8.9.0 版本[11]。

地源熱泵機(jī)組是復(fù)合式地源熱泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空氣熱泵和水-水熱泵的模型，Jin 等人[12,13]提出了參數(shù)估計(jì)模型，利用制造商目錄數(shù)據(jù)用于計(jì)算參數(shù)，以便使用全局優(yōu)化算法最小化誤差。Shenoy 提出了方程擬合模型，該模型根據(jù)制造商樣本手冊得到6 個(gè)制冷/熱系數(shù)Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，設(shè)定好名義制冷量、功率、負(fù)荷側(cè)及源側(cè)的流量即可使用，使得模擬更具有實(shí)際性，因此本文選擇使用方程擬合模型。地源熱泵系統(tǒng)冷凝側(cè)由垂直地埋管組成使用地環(huán)路換熱器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它將熱量輸送到地面或從地面輸送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[14]。根據(jù)成都地泵熱響應(yīng)測試報(bào)告，土壤初始溫度為19.7℃，巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.13W/（m3·K）。

2.2 工況條件

本次模擬室外氣象參數(shù)采用成都市氣象參數(shù)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015 夏熱冬冷地區(qū)相關(guān)規(guī)定選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)取值如下，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：0.63W/(m2·K)；外墻傳熱系數(shù)為：0.56W/(m2·K)；外窗傳熱系數(shù)為：2.4W/(m2·K)，太陽得熱系數(shù)為0.44。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Interior design parameters

3 結(jié)果分析與討論

3.1 地埋管出口溫度的確定

本文所采取的空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵的運(yùn)行策略為根據(jù)地埋管的出口設(shè)定溫度來決定空氣源熱泵機(jī)組的啟停，當(dāng)?shù)芈窆艹隹诔^設(shè)定值時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組與地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行為建筑供冷，在空氣源熱泵運(yùn)行期間，地埋管溫度低于設(shè)定溫度0.2℃溫差時(shí)，關(guān)閉空氣源熱泵機(jī)組。設(shè)定溫度值決定空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)控制策略的合理性。溫度過高，首先土壤吸排熱不平衡，其次在機(jī)組選型配置確定了的前提下，地源熱泵機(jī)組制冷量不足，房間溫度無法保證。如果設(shè)定溫度過高，空氣源熱泵承擔(dān)冷負(fù)荷太多，整個(gè)系統(tǒng)不節(jié)能。因此，溫度設(shè)定值的合理選取對復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行尤為重要。從大量的論文研究來看，對于設(shè)定溫度值的確定都沒有明確的定義，曲云霞[10]研究表明地?zé)釗Q熱器的最高水溫以當(dāng)?shù)赝寥罍囟燃由?0℃為最高限度。郭哲豪[15]認(rèn)為當(dāng)土壤溫度大于等于30℃時(shí)啟動(dòng)冷水機(jī)組。并且對于不同地區(qū)，不同功能的建筑其設(shè)定值可能會(huì)隨之改變，本文用EnergyPlus 模擬得到根據(jù)冷負(fù)荷選型的傳統(tǒng)地緣熱泵地埋管空調(diào)季的逐時(shí)出口溫度，如圖3所示。其最大出口水溫32.7℃，由于復(fù)合式地源熱泵按照設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行，地埋管數(shù)量有所減少，會(huì)影響到其換熱量。因此設(shè)定地埋管出口溫度為25℃、26℃、27℃、28℃和29℃。

圖3 25℃下地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.3 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 25℃

3.2 不同溫度模擬結(jié)果

3.2.1 設(shè)定溫度為25℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設(shè)定為25℃時(shí)機(jī)組地埋管空調(diào)季逐時(shí)出口溫度如圖3所示，整個(gè)空調(diào)季基本在25℃以下，空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)得到合理控制，其中地源熱泵機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1371h，空氣源熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1039h。

當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為25℃時(shí)，由EnergyPlus 軟件模擬得到機(jī)組的第一年逐時(shí)制冷量、耗電量、水泵的逐時(shí)耗電量以及地埋管的逐時(shí)換熱量、出口溫度。從結(jié)果分析，地源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為24907kWh，空氣源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為53300kWh，供暖季全部熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，累計(jì)熱負(fù)荷為49556kWh，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季EER 為2.694，供暖季COP 為2.536。地源熱泵機(jī)組全年耗電量為22328kWh，空氣源熱泵機(jī)組全年累計(jì)耗電量為17767kWh。根據(jù)地埋管全年逐時(shí)換熱量，地埋管夏季累計(jì)排熱量為-31478kWh，冬季累計(jì)吸熱量為31439kWh，地埋換夏季排熱量最大為-28751W，土壤熱不平衡率為0.12%。

3.2.2 設(shè)定溫度為26℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設(shè)定為26℃時(shí)機(jī)組地埋管空調(diào)季逐時(shí)出口溫度如圖4所示，整個(gè)空調(diào)季基本在26℃以下，空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)得到控制，其中地源熱熱泵機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1371h，空氣源熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1002h。

圖4 26℃下地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.4 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 26℃

當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為26℃時(shí)，由EnergyPlus 軟件模擬得到機(jī)組的第一年逐時(shí)制冷量、耗電量、水泵的逐時(shí)耗電量以及地埋管的逐時(shí)換熱量、出口溫度。從結(jié)果分析，地源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為28008kWh，空氣源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為50198kWh，供暖季全部熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，累計(jì)熱負(fù)荷為49556kWh，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季EER 為2.701，供暖季COP 為2.540。地源熱泵機(jī)組全年耗電量為23243kWh，空氣源熱泵機(jī)組全年累計(jì)耗電量為16744kWh。根據(jù)地埋管全年逐時(shí)換熱量，地埋管夏季累計(jì)排熱量為-36367kWh，冬季累計(jì)吸熱量為31443kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-34175W，土壤熱不平衡率為13.54%。

3.2.3 設(shè)定溫度為27℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設(shè)定為27℃時(shí)機(jī)組地埋管空調(diào)季逐時(shí)出口溫度如圖5所示，整個(gè)空調(diào)季基本在27℃以下，空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)得到控制，其中地源熱泵機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1371h，空氣源熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)為973h。

圖5 27℃下地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.5 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 27℃

當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為27℃時(shí)，由EnergyPlus 軟件模擬得到機(jī)組的第一年逐時(shí)制冷量、耗電量、水泵的逐時(shí)耗電量以及地埋管的逐時(shí)換熱量、出口溫度。從結(jié)果分析，地源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為31635kWh，空氣源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為46571kWh，供暖季全部熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，累計(jì)熱負(fù)荷為49556kWh，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季EER 為2.708，供暖季COP 為2.544。地源熱泵機(jī)組全年耗電量為27932kWh，空氣源熱泵機(jī)組全年累計(jì)耗電量為15534kWh。根據(jù)地埋管全年逐時(shí)換熱量，地埋管夏季累計(jì)排熱量為-41125kWh，冬季累計(jì)吸熱量為31447kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-39640W，土壤熱不平衡率為23.5%。

3.2.4 設(shè)定溫度為28℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設(shè)定為28℃時(shí)機(jī)組地埋管空調(diào)季逐時(shí)出口溫度如圖6所示，整個(gè)空調(diào)季基本在28℃以下，空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)得到控制，其中地源熱熱泵機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1371h，空氣源熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)為932h。

圖6 28℃下地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.6 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 28℃

當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為28℃時(shí)，由EnergyPlus 軟件模擬得到機(jī)組的第一年逐時(shí)制冷量、耗電量、水泵的逐時(shí)耗電量以及地埋管的逐時(shí)換熱量、出口溫度。從結(jié)果分析，地源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為35275kWh，空氣源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為42931kWh，供暖季全部熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，累計(jì)熱負(fù)荷為49556kWh，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季EER 為2.711，供暖季COP 為2.552。地源熱泵機(jī)組全年耗電量為25461kWh，空氣源熱泵機(jī)組全年累計(jì)耗電量為28841kWh。根據(jù)地埋管全年逐時(shí)換熱量，地埋管夏季累計(jì)排熱量為-45942kWh，冬季累計(jì)吸熱量為31451kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-45462W，土壤熱不平衡率為31.5%。

3.2.5 設(shè)定溫度為29℃

通過EnergyPlus 軟件模擬得到出口溫度設(shè)定為29℃時(shí)機(jī)組地埋管空調(diào)季逐時(shí)出口溫度如圖7所示，整個(gè)空調(diào)季基本在29℃以下，空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)得到控制，其中地源熱熱泵機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1371h，空氣源熱泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)為886h。

圖7 29℃下地埋管逐時(shí)出口溫度Fig.7 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 29℃

當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為29℃時(shí)，由EnergyPlus 軟件模擬得到機(jī)組的第一年逐時(shí)制冷量、耗電量、水泵的逐時(shí)耗電量以及地埋管的逐時(shí)換熱量、出口溫度。從結(jié)果分析，地源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為38874kWh，空氣源熱泵機(jī)組空調(diào)季累計(jì)制冷量為39332kWh，供暖季全部熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，累計(jì)熱負(fù)荷為49556kWh，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季EER 為2.705，供暖季COP 為2.555。地源熱泵機(jī)組全年耗電量為26716kWh，空氣源熱泵機(jī)組全年累計(jì)耗電量為13119kWh。根據(jù)地埋管全年逐時(shí)換熱量，地埋管夏季累計(jì)排熱量為-50748kWh，冬季累計(jì)吸熱量為31455kWh，其中地埋換夏季排熱量最大為-51596W，土壤熱不平衡率為38.1%。

3.3 不同設(shè)定溫度綜合性能對比

根據(jù)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型計(jì)算不同控制策略下空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)運(yùn)行第一年各指標(biāo)及得分情況，如表2所示。

表2 不同設(shè)定溫度控制策略下復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)綜合性得分Table 2 Comprehensive scores of hybrid ground source heat pump system under different set temperature control strategies

隨著地埋管出口溫度設(shè)定值由25℃到29℃時(shí)，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的土壤熱不平衡率隨之增加。從不同地埋管出口溫度下空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)打分結(jié)果來看，當(dāng)?shù)芈窆艹隹跍囟仍O(shè)定為25℃時(shí)系統(tǒng)綜合性能最優(yōu)，地埋管冬夏季吸排熱也達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

合理的運(yùn)行控制策略是復(fù)合式地源熱泵是否能達(dá)到節(jié)能目的，實(shí)現(xiàn)地埋管冬夏季取熱、吸熱平衡的關(guān)鍵，本文分別設(shè)定地埋管出口溫度為25℃、26℃、27℃、28℃和29℃模擬并得出最佳控制策略，所得到的結(jié)論如下：

（1）空氣源輔助地源復(fù)合式地源熱泵不同設(shè)定溫度運(yùn)行能耗差距不大。

（2）復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的土壤熱不平衡率隨地埋管出口溫度設(shè)定值增加而增加，地埋管冬夏季吸排熱平衡越來越難以控制。

（3）空氣源輔助地源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制策略在地埋管出口溫度設(shè)定為25℃時(shí)綜合性能得分最高，熱不平衡率為0.12%。地源熱泵冬夏季吸排熱量達(dá)到平衡。