基于運行策略的某復合式地源熱泵系統運行優化分析

武佳琛 張 旭 周 翔 劉海霞

(同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804)

地源熱泵技術近些年在我國取得了較快的發展，特別是土壤源熱泵得到了廣泛的應用，它具有較高的一次能源利用率和系統能效，節能效益和環保效益顯著［1］。

對于大型公共建筑，在冬夏負荷不平衡的地區，常采用復合式地源熱泵作為其空調系統的冷熱源，相比于常規的地源熱泵系統，

這種系統形式不僅減少了地埋管數量，降低了初投資，還有效地解決了土壤熱平衡問題，有利于提高系統的可靠性，降低系統的運行費用，具有較好的經濟技術優勢［2］。

對于一個復合式地源熱泵系統，運行策略對其實際運行效果起著非常重要的作用，對于同一個復合式地源熱泵系統，采取不同的運行策略，經濟性會產生顯著的差異，運行策略制定的不得當，甚至會給系統的可靠性帶來風險［3］。

目前國內外對復合式地源熱泵系統運行控制策略的研究主要集中在冷卻塔與地埋管復合的形式上，其控制冷卻塔開啟的策略主要有三類:1)設定溫度控制:當進入或流出地熱換熱器的水溫超過設定溫度時開啟輔助散熱裝置;2)溫差控制:當進入熱泵的水溫與周圍空氣干球或濕球溫度的差值超過設定值時開啟輔助散熱裝置;3)開啟時間控制:在特定的時間段內(如夜間)開啟輔助散熱裝置排出土壤中的熱量。而針對于并聯冷水機組+冷卻塔形式的復合式地源熱泵系統的研究還較少，這方面有長時間實測數據的研究也比較匱乏［4－10］。而在我國，已經有相當數量的大型公共建筑的空調系統采用了這種形式，由此在實測數據的基礎上，結合仿真模擬，對并聯冷水機組+冷卻塔的復合式地源熱泵系統的運行策略進行分析探討，尋求其優化途徑是必要的。

1 系統介紹

華東地區某大型客站，站房主體總面積221903 m2，建筑全年負荷分布如下圖1所示，其中夏季最大冷負荷18.53 MW，冬季最大熱負荷6.58 MW。

圖1 某大型客站全年負荷分布圖Fig．1 Annual cold/heat load

該建筑的空調冷熱源形式為復合地源熱泵系統，由地埋管地源熱泵子系統和水冷冷水機組+冷卻塔子系統構成，冬季熱負荷全部由地源熱泵子系統承擔，夏季由冷水機組子系統和地源熱泵子系統聯合供冷。地源熱泵機組共三臺，兩用一備;離心冷水機組共四臺，三用一備。機組的制冷制熱能力如下表1所示:

表1機組制冷制熱能力對應表Tab．1 Cooling and heating capacity of unit

2 實際運行分析

2.1 系統運行數據的采集與計算

該建筑空調系統的運營方搭建了整個空調系統的運行數據采集系統，對整個空調系統的運行數據進行采集存儲并實時監控，各機組進出水的溫度和流量是其監測的重要對象。下圖2為其運行監測系統的截圖。

圖2某大型客站復合式地源熱泵系統運行監測界面Fig．2 The monitoring interface of the system

通過測得的各機組進出水的溫度和流量，在夏季制冷工況下，可計算出地源熱泵機組和冷水機組的實際制冷量和其在冷凝器側(地源側或冷卻塔側)的實際放熱量。再由能量守恒，可獲得機組的實際性能系數COP。

2.2 運行結果及分析

對該大型客站的復合式地源熱泵系統在2012年夏季制冷工況的主要實際運行數據進行整理分析，探討復合式地源熱泵系統運行變化對地埋管換熱特性和機組性能的影響。數據分析點從2012年6月13日至8月23日。將這期間的機組主要開啟情況換算成其對應的制冷容量如下圖3所示。

圖3 復合式地源熱泵系統機組開啟情況Fig．3 Actual cooling capacity of the unit under the operation strategy

由圖3，該系統夏季的運行策略為以地源熱泵為基載，冷水機組承擔剩余冷量，當冷水機組和地源熱泵共同承擔負荷的時刻，一般至少有一臺地源熱泵機組開啟。

根據系統運行狀態的差異，將其實際運行劃分為三個階段進行分析研究。

系統運行的第一階段從2012年6月13日至2012年6月29日:由于剛進入制冷季，這一階段的建筑負荷并不大，并均由地源熱泵機組承擔，冷水機組尚未開啟。

下圖4是第一階段的地埋管進出水溫度及熱泵機組承擔負荷的變化圖。

圖4第一階段的地埋管進出水溫度變化圖Fig．4 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the first stage

圖4～圖7中的水溫變化曲線的斷開部分表示熱泵機組的短時間停機，由圖4可以得出以下結論:

1)地源熱泵機組承擔的負荷在一定水平上時，地埋管的進出水溫度在每一個連續運行工況都基本呈上升趨勢;開始階段的上升速率較快，運行一段時間后會基本保持在一個相對穩定的水平，負荷強度越高，達到穩定的時間越長，其對應的地埋管進出水溫度也越高;這一階段地埋管換熱器的換熱平均溫差為5.04℃。

2)地埋管水進出水溫度在連續運行工況下會出現下降，其原因在于地源熱泵機組承擔負荷的大幅度下降，當地源熱泵機組冷凝器側釋熱量的強度弱于土壤本身的熱擴散能力時，土壤溫度恢復，地埋管進出水溫度就會下降。

3)系統運行的每一個間歇，都會使下一個運行周期起始的地埋管進出水溫度有一個明顯的下降，這表明間歇運行對地埋管周圍土壤溫度的恢復具有明顯的效果。

系統運行的第二階段從2012年6月29日到2012年7月14日:這一階段冷水機組開始與地源熱泵機組聯合運行，由于建筑負荷的增大，兩臺地源熱泵機組同時運行的份額較上一階段明顯提升，在這一階段，地源熱泵機組停機間歇的次數較多。

下圖5是第二階段的地埋管進出水溫度及熱泵機組承擔負荷的變化圖。

圖5第二階段的地埋管進出水溫度變化圖Fig．5 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the second stage

由圖5:在這一階段的每一連續運行工況，地埋管進出水溫度的相對穩定值較上一階段有顯著的提升;地埋管進出水溫差的均值為4.47℃，較上一階段下降0.57℃，地埋管換熱量減小，這表明相對于地埋水溫度的上升，地埋管周圍土壤溫度的上升幅度更大;但在更高的負荷強度下，每一個間歇運行所帶來的土壤溫度恢復效果依然是十分明顯。

系統運行的第三階段從2012年7月15日到2012年8月22日:這一階段是夏季最熱的時期，建筑冷負荷較大，系統基本保持了兩臺熱泵機組和冷水機組的聯合運行，地源熱泵機組停機間歇的次數較少。

下圖6是第三階段的地埋管進出水溫度及熱泵機組承擔負荷的變化圖。

圖6第三階段的地埋管進出水溫度變化圖Fig．6 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the third stage

由圖6:從7月15日到8月5日，地源熱泵機組有超過20天的連續運行工況，其間地源熱泵機組的負荷始終保持在一個較高的水平，地埋管的進出水也較長時間處于一個溫度很高的狀態。這一階段地埋管進出水溫差的均值為3.89℃，地埋管周圍土壤溫度的進一步升高;在8月11日～8月14日地源熱泵機組僅開啟一臺的情況下，地埋管的進出水溫度明顯下降了一個檔次，基本保持在34℃和31℃，待14日恢復到開啟兩臺地源熱泵機組時，地埋管進出水溫度迅速恢復到了一個較高的水平，這再一次表明地埋管的進出水溫度變化和機組承擔的負荷有十分密切的關系。

3 運行策略優化方案分析

并聯冷水機組+冷卻塔的復合式地源熱泵的兩個子系統僅是共用末端水系統，在夏季制冷工況下，可以互不干擾的為建筑提供冷源，其運行控制相比于傳統的復合式地源熱泵系統形式更為靈活，除了地源熱泵機組單獨供冷和地源熱泵機組+冷水機組聯合供冷的運行模式外，完全有條件將熱泵機組關閉，實現冷水機組的單獨供冷。

由上節分析可知，系統的實際運行策略是以地源熱泵優先開啟的方式進行制冷運行。該運行策略的優勢在于保證了地源熱泵系統夏季對土壤的釋熱量，有利于系統在冬季的制熱工況;但該運行策略會使地源熱泵系統連續運行，不利于土壤溫度恢復，特別在夏季負荷較大的時段，過高的釋熱強度可導致地埋管出水溫度過高和地源熱泵機組效能下降。下圖7是上述第三階段3#熱泵機組和2#冷水機組的COP變化圖。

圖7第三階段的3#熱泵機組和2#冷水機組COP變化圖Fig．7 COP variation of 3#heat pump unit and 2#chiller unit in the third stage

由圖7可知:連續運行使地埋管換熱器周圍土壤溫度不斷上升，地埋管的出水溫度保持在一個比較高的水平，降低了熱泵機組能效，熱泵機組的COP平均值僅為4.4，而同時開啟的冷水機組的COP平均值為6.6，在這樣的狀態下，地源熱泵很可能已不具備夏季節能的優勢了。

解決這一問題的方法就在于降低地源熱泵系統的運行份額，對應的運行策略優化途徑主要有二:一是夏季制冷以冷水機組優先運行，在負荷不大的時段內由冷水機組子系統承擔系統的冷負荷;二是仍在地源熱泵為優先運行的策略下，只在某些時段，特別是室外氣溫較低建筑負荷較小的夜晚，讓地源熱泵機組停機休息，以冷水機組+冷卻塔的子系統承擔系統負荷。這樣可以充分利用這一時段冷卻塔較優的換熱特性，也會使地埋管換熱器周圍的土壤溫度恢復，改善下一階段的土壤換熱。

綜上所述，對該復合式地源熱泵系統主要有以下三種運行策略:1)夏季以冷水機組優先制冷，地源熱泵機組進行調峰;2)夏季以地源熱泵機組優先制冷，并且地源熱泵機組連續運行;3)夏季每日高負荷時段(6點－次日0點)以地源熱泵機組優先制冷，但在子夜0點到清晨6點，讓地源熱泵機組停機6 h，期間由冷水機組單獨供冷。

評價復合式地源熱泵系統運行策略的優劣并不完全在于某一時刻系統能效的最優，地源熱泵多年與土壤換熱的穩定特性是更基本的要素。每一種運行策略都應首先有利于實現系統對土壤吸放熱量的基本平衡，使多年后的地埋管出水溫度不會惡化(過高或過低都會增加地源熱泵機組停機風險)，保證系統的長期可靠運行。所以判斷上述三種策略哪一種對于該系統較優，需要對系統多年的地埋管換熱特性進行分析計算，而在這方面，系統的模擬仿真是較實測更為有效的研究手段。

4 基于運行策略優化的復合式地源熱泵系統仿真模擬

上節介紹的是運行策略1、2、3下的系統運行，下文將分別對對應工況A，B，C進行分析。

4.1 復合式地源熱泵系統仿真模型的搭建

目前常用于暖通空調系統能量特性和控制特性模擬的仿真軟件主要有:HVACSIM+，TRNSYS等。該類軟件以整個系統中各部件為單元，按照各部件的壓力、流動方程及質量能量平衡等進行計算，因此適用于系統的整體分析和運行控制設計。以TRNSYS軟件作為模擬平臺，建立地源熱泵系統的仿真模型，如下圖8所示。

將建筑的全年冷負荷按照不同的運行策略根據流量進行分配，冬季熱負荷全部由地源熱泵機組承擔，將地源熱泵子系統所承擔的全年負荷，傳輸給簡化的空調末端進行計算，熱泵機組的參數按照實際樣本設置，地埋管換熱器和水泵的參數依照工程實際設置。系統模擬步長1 h，計算時間87600 h(10年)，并設定系統以夏季制冷工況先開始運行。下表2是系統仿真模型地埋管換熱器模塊的基本參數設置情況。

圖8地源熱泵系統仿真模型示意圖Fig．8 Schematic diagram of simulation model

4.2 系統仿真模型驗證

以機組實際承擔的負荷作為系統模型的負荷輸入，將2012年6月22日8:00—2012年6月26日8:00四天的模擬和實際運行結果進行比對，對該系統仿真模型進行驗證，結果如下圖9所示。

表2地埋管換熱器模塊的基本參數設置Tab．2 Parameters of the ground heat exchanger module

圖9系統模型的實測驗證Fig．9 Validation of the system model

圖9的結果顯示，地埋管進出水溫度的模擬值和實測結果基本吻合，地埋管進水溫度最大誤差為4.30%，地埋管出水溫度最大誤差4.07%，均小于5%，說明了該系統仿真模型的可靠性。

4.3 模擬運行結果

圖10～圖12分別對應工況A，B，C 10年的地埋管進出水溫度和土壤溫度變化，反映了其10年的地埋管換熱特性。

圖10工況A運行10年地埋管進出水溫度和土壤溫度變化Fig．10 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case A

圖11工況B運行10年地埋管進出水溫度和土壤溫度變化Fig．11 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case B

圖12工況C運行10年地埋管進出水溫度和土壤溫度變化Fig．12 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case C

表3三種工況運行10年結果對比Tab．3 Comparison of simulation results on the three cases

4.4 結果分析與討論

工況A對應的運行策略為:夏季以冷水機組優先制冷，地源熱泵機組進行調峰。由圖10和表3的模擬結果，在這一運行策略下，地源熱泵系統夏季運行工況最優，但對土壤的釋熱量不足，同時期土壤溫度和地埋管進出水溫度呈現連年下降趨勢，10年土壤溫度下降4.25℃，在冬季制熱工況下，地埋管的出水溫度下降較快，機組制熱平均COP最低。

工況B對應的運行策略為:夏季以地源熱泵機組優先制冷，并且地源熱泵機組連續運行。由圖11和表3的模擬結果，在這一運行策略下，地源熱泵系統表現出夏季釋熱量過剩，制冷季后期的運行工況較差，地埋管的出水溫度都保持在較高水平，機組制冷平均COP最低，同時期土壤溫度和地埋管進出水溫度呈現連年上升趨勢，10年土壤溫度上升6.80℃，但充足的土壤夏季蓄熱也使該運行策略下冬季制熱工況運行風險最小。

工況C對應的運行策略為:夏季高負荷時段以地源熱泵機組優先制冷，但在冷負荷較低的子夜0點到清晨6點，地源熱泵機組停機6 h，期間由冷水機組單獨供冷。由圖12和表3的模擬結果，在這一運行策略下，地源熱泵系統土壤熱平衡狀況較好，同時期10年的土壤溫度變化不足1℃，并且單個制冷季內土壤溫度和地埋管出水溫度變化較為平緩，較工況B有明顯的降低，其冬季制熱工況機組的平均COP值介于工況A和工況B之間。

綜合以上的分析，從系統多年穩定運行的角度考慮，工況C對應的運行策略3是對該系統較優的運行策略:以冷水機組優先制冷的運行策略1，使系統在冬季穩定運行的可靠性降低，再加上大型公共建筑冬季有相當數量的無組織通風，可能會加劇這一變化;以地源熱泵機組優先制冷并連續運行的運行策略2，會使制冷季末期的運行工況惡化，多年之后更為明顯，同時夏季地源熱泵的過度運行降低了地源熱泵在夏季的能效，對于以冷負荷為主導的地區而言，這是不利于系統節能的;而在地源熱泵機組優先制冷并夜間間歇的運行策略3下，地源熱泵間歇運行保證了地埋管短期較好的換熱特性，而適度的地源熱泵運行份額使地埋管周圍土壤多年的溫度變化較小，地埋管長期的換熱特性也較為穩定，地埋管出水溫度惡化、系統失效的風險最小。

5 結論

通過實測和模擬的手段，基于運行策略對復合冷水機組的某地源熱泵系統地埋管的換熱特性以及機組性能進行了分析研究，主要結論如下:

1)在制冷季地源熱泵基本連續運行的策略下，地源熱泵地埋管的進出水溫度保持整體的上升趨勢，運行后期出水溫度超過34℃，換熱溫差逐漸減小，由初期的5.04℃降低到3.89℃，土壤溫升明顯。

2)地埋管進水溫度變化和地源熱泵機組承擔的負荷有十分密切的關系，短期的降低地源熱泵負荷或是機組停機間歇有利于地溫恢復，改善下一運行階段的土壤換熱。

3)復合式地源熱泵系統仿真模擬結果表明，對于該復合式地源熱泵系統，在夏季以冷水機組優先或地源熱泵機組優先運行的策略下，土壤多年溫度變化較大，不利于系統多年穩定的運行;而夏季高負荷時段以地源熱泵機組優先制冷，在冷負荷較低的夜間時段地源熱泵機組停機間歇的運行方案是較優的策略，該運行策略下10年后土壤溫度的變化不足1℃，這對相同氣候區相似建筑的同類型系統具有重要借鑒意義。

本文受華東地區大型客站地源熱泵空調系統應用技術研究(2011090)項目資助。(The project was supported by the Research on Ground Source Heat Pump System of Large Railway Station in East China(No．2011090)．)

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