夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統運行策略的研究

顧娟，陳劍波，胡毛毛

（上海理工大學環境與建筑學院，上海200093）

夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統運行策略的研究

顧娟，陳劍波*，胡毛毛

（上海理工大學環境與建筑學院，上海200093）

以夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統為研究對象，提出3種運行控制策略，并通過基于TRNSYS的仿真模型的構建，在不同控制策略（時間控制、溫度控制、溫差控制）設定值下對仿真模型進行模擬，分析系統年平均能耗以及10年末土壤及地埋管進出水溫度；優先運行3 h、室外空氣干球溫度為33 ℃、溫差為5 ℃時的策略是最優的系統控制策略，為實際工程應用提供運行控制方法和指導。

地源熱泵；空氣源熱泵；控制策略；系統模擬

0 引言

近年來，夏熱冬冷地區的建筑供暖需求問題日益顯著[1]。地源熱泵系統與傳統供暖系統相比，可實現能源、經濟、環境的協調發展[2-7]。然而，單一地使用地源熱泵會造成地下熱堆積問題，因此復合式地源熱泵應運而生。

1995年，美國采暖學會首次闡述復合式地源熱泵系統應用在大型商用和公共建筑中具有優勢[8]。2003年，曲云霞等[9]研究了地源熱泵系統輔助散熱設備的形式和設計方法，提出當地下換熱器的出水溫度超過土壤溫度 20 ℃時，宜開啟輔助散熱設備。2009年，同濟大學的蔡晶晶等[10]針對冷卻塔輔助冷卻形式，討論了不同的設計方法和不同的控制策略。2010年，西班牙PARDO等[11]研究顯示，采用空氣源熱泵、地源熱泵以及儲熱器的耦合系統作為建筑空調系統的配置，其能耗只占單純采用空氣源熱泵的60%，占單純采用地源熱泵的 82%。2012年，清華大學李先庭等[12]提出利用季節性蓄存環境空氣熱能的新型地源熱泵供熱空調系統，結果顯示，該系統能夠維持土壤的熱平衡，且系統節能率達22.13%。

現階段的復合式地源熱泵系統主要是通過增加輔助散熱裝置實現維持土壤熱平衡的目的，但這些輔助裝置的增加會引起相應的循環、動力設備的增加，系統比較復雜[13]。針對這種情況，從維護土壤熱平衡、降低系統初投資、提高系統的運行效率以及增強系統的可控性等方面考慮，采用地源熱泵聯合其他類型熱泵共同承擔建筑物空調需求策略。本文將介紹一種新型的地源與空氣源熱泵聯合運行空調系統在夏熱冬冷地區的應用。

運行策略對復合式地源熱泵系統的實際運行效果、運行特性有著至關重要的作用。國內外對于復合式地源熱泵系統運行策略的研究主要集中在冷卻塔與地埋管復合的形式。

YAVUZTURK等[14]在TRNSYS模擬軟件平臺的基礎上，利用g-function地下埋管模型，用5種不同的控制策略對某復合式地源熱泵系統進行長達20年的模擬。2007年，天津大學的王華軍等[15]運用VB程序語言建立了基于圓柱熱源理論的評價模型。2008年，香港理工大學的滿意[16]對香港地區某辦公樓的復合式地源熱泵系統進行了模擬，結果表明采用設定進入機組水溫超過環境濕球溫度3 ℃時開啟冷卻塔，運行效果最好。2011年，同濟大學的花莉等[17]對4種策略下的復合式地源熱泵系統運行費用進行了比較，基于溫差控制的策略運行費用最低。

目前，地源與空氣源熱泵聯合空調系統的研究還較少，且缺乏對于該系統長時間實測數據的研究。研究系統運行策略的作用就在于根據這些外部因素調控地源熱泵和空氣源熱泵的匹配方式，使得系統能夠長久地穩定高效地運行。因此運用仿真模擬，研究地源與空氣源熱泵聯合空調系統的運行策略是必要的。

1 系統介紹

1.1 系統原理

本文提出的新型地源與空氣源熱泵聯合空調系統原理圖如圖1所示。

圖1 地源與空氣源熱泵聯合空調系統原理圖

1.2 實驗平臺介紹

目標建筑物為上海某大學工程實訓中心，建筑物空調區域面積為 500 m2。通過 DesignBuilder 動態模擬算出該工程實訓中心空調區域的全年冷熱負荷，目標建筑夏季最大冷負荷116 kW，冬季最大熱負荷95.7 kW。

根據建筑物的全年動態負荷可得出，單一使用地源熱泵作為冷熱源時，冬夏季土壤吸放熱量的不平衡率，為了解決僅采用地源熱泵所造成的熱堆積問題，空氣源熱泵需承擔解決土壤吸放熱量不平衡率的供冷量，才能維持土壤吸放熱量的平衡。因此，地源與空氣源熱泵聯合空調系統按照冬季最大熱負荷選取地源熱泵機組容量，空氣源熱泵機組容量按照維持土壤吸放熱量平衡的原則選取。按照此方法，根據建筑物模擬所得的最大冷熱負荷，考慮相應的裕度，對雙熱泵機組進行選型，如表1所示。

表1 熱泵機組的型號

2 運行策略優化方案分析

夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統的運行策略應首先保證空氣源熱泵在夏季制冷工況的充分運行，以實現維護土壤熱平衡的目的，從而確保多年后夏季制冷時地埋管水溫能使熱泵機組正常工作，不致失效。而同時，為了實現降低系統能耗的目的，空氣源熱泵在制冷季的運行份額上需要尋找一個平衡點，并不需要始終優先運行。這樣不但讓系統更長久穩定的運行，而且有利于提升系統即時運行能效，從而使地源與空氣源熱泵聯合空調系統能長時間的正常穩定節能地運行。

室外空氣的干球溫度是一個能直接體現空氣源熱泵機組能效的指標，同樣的，地埋管的出水溫度是影響地源熱泵系統能效的重要指標。當夏季室外空氣干球溫度較高，或是室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度之間的差值較大時，切換系統制冷優先次序，由地源熱泵系統優先制冷。上述的前一個切換條件為溫度控制，后一個切換條件即為溫差控制。

具體系統運行策略優化途徑如下：

1） 切換時間控制運行策略；

2） 室外空氣干球溫度控制運行策略；

3） 室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度的溫差控制運行策略。

評價地源與空氣源熱泵聯合空調系統運行策略的優劣并不在于某一時刻系統能效的最優，而是土壤吸放熱量的基本平衡，保證地埋管出水溫度在多年使用后不會惡化，維持系統長期且高效穩定地運行。所以若要判斷上述3種運行策略對于系統哪種較優，需要對系統多年運行積累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[18]。

3 系統仿真模型構建

地源與空氣源熱泵聯合空調系統的運行是一個動態耦合的過程，這一本質需要在系統的仿真模型中得到充分體現。TRNSYS瞬態模擬過程即是通過對系統數學模型數值求解過程，通過對模擬所得的瞬態結果積分可以得到長期累積的性能。室外氣象條件、建筑物圍護結構、室內熱源的發熱狀況和室內外通風狀況等多種因素共同作用于建筑物，形成建筑負荷。

建筑負荷是決定系統運行和機組開啟策略的基本因素，實際上也直接關聯著系統冷熱源的負荷側的供回水溫度變化，而負荷側的供回水溫度變化和室外空氣干球溫度的變化決定空氣源熱泵機組的性能，負荷側的供回水溫度變化和地埋管的進出水溫度變化決定地源熱泵機組的實時性能，同時地源熱泵機組的實時性能與當時地埋管換熱器通過其進出水形成耦合過程。系統運行策略的作用就在于根據這些外部因素調控地源熱泵和空氣源熱泵的匹配方式，使得系統能夠長久地穩定高效地運行。

4 不同控制策略下地源與空氣源熱泵聯合空調系統性能仿真分析

4.1 系統仿真模型驗證

在上海典型氣象數據中選取使目標建筑物處于75%冷負荷工況下的一天，作為典型夏季制冷日，并在該天對地源與空氣源熱泵聯合空調系統仿真模型進行模擬，將模擬結果與實測結果進行比較，比較結果如圖2和圖3所示。同樣的，將典型冬季制熱工況下，地源熱泵系統仿真模型模擬出來的結果與實測結果進行比較，比較結果如圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出，在典型冬夏季工況下，模擬所得出的系統運行情況與實驗結果基本一致，夏季地埋管出水溫度最大誤差為10%，冬季地埋管出水溫度最大誤差為8.8%，冬季地埋管進水溫度最大誤差為13%，均小于20%，證明了仿真模型冬夏季工況下模擬的準確性和可靠性。

圖2 地源熱泵運行性能實驗結果與模擬結果的對比

圖3 空氣源熱泵運行性能實驗結果與模擬結果對比

圖4 制熱工況下地源熱泵系統運行性能的實驗結果與模擬結果對比

4.2 不同控制策略運行分析

切換時間控制運行策略的具體切換時間設置如表2所示。

表2 切換時間控制運行策略細化表

圖5～圖7為夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統仿真模型計算出的A1、A2和A3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化。從夏季地埋管進出水溫度的角度來看，A1運行策略下的地埋管10年的出水溫度變化最大，從第1年的最大值32.5 ℃降為第10年的最大值27.5 ℃。此3種運行策略比較表明，設定的地源熱泵系統優先運行的時間越長，地埋管的進出水溫度就越高。

以切換時間為控制參數的各運行策略對應的年平均能耗和系統10年末土壤的溫度如圖8所示。在3種運行策略下10年末土壤溫度的差異不是很大，分別為17.51 ℃、18.05 ℃和18.63 ℃，且地源熱泵優先運行的時間越長，土壤10年末的溫度越高。在系統能耗方面，地源熱泵優先運行的時間越短，地源熱泵使用份額越少。由圖2可得，地源熱泵性能系數隨運行時間的增長而逐漸減少，地下土壤會出現嚴重的冷熱負荷不平衡現象，熱量將在地下累積，地下土壤溫度逐年升高，地埋管進出水溫度逐年上升，從而系統的能耗勢必逐年增加。地源熱泵優先運行時間越短，空氣源熱泵能充分發揮其作用，使地埋管換熱器周圍的土壤溫度恢復，降低地埋管進出水溫度。因此，地源熱泵優先運行的時間越短，系統能耗越低，且這種差異較為明顯，策略A1年能耗較A3降低約4.3%。

最佳的控制策略應使整個地源與空氣源熱泵聯合空調系統總能耗最低，土壤溫度維持恒定。運行策略A1雖然系統年平均能耗最低，但是其對應的10年末土壤溫度較土壤初始溫度的差值最大，這樣長期運行下去會導致冬季地埋管進水溫度低于規范的4 ℃，圖5實際已反映了此現象。其原因為當空氣源熱泵系統優先運行時間較長時，會導致地源熱泵系統夏季傳至土壤的熱量小于冬季從土壤里吸收的熱量，從而土壤的溫度會逐年遞減，長期運行下去，地源熱泵機組在冬季將不能正常運行。而對于運行策略A3而言，盡管10年內土壤溫度恒定度維持得較好，但是年平均能耗卻是三者中最高的。綜合以上，可以得出A2策略是三者中最優的系統控制策略，并以此策略作為切換時間該類控制策略的代表，與其他兩類運行策略進行綜合比較。

圖5 A1運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖6 A2運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖7 A3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖8 切換時間控制各運行策略年平均耗電量和10年末土壤溫度比較

室外空氣干球溫度控制運行策略的具體切換溫度設置如表3所示。

表3 室外空氣干球溫度控制運行策略細化表

圖9～圖11為夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統仿真模型計算出的B1、B2和B3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化。

圖9 B1運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖10 B2運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖11 B3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

從夏季地埋管進出水溫度的角度來看，B3運行策略下的地埋管10年的出水溫度變化最大，從第1年的最大值32.5 ℃降為第10年的最大值27.2 ℃。此3種運行策略比較表明，設定的室外空氣干球溫度越低，地源熱泵優先運行的份額越高，地埋管的進出水溫度就越高。

以室外空氣干球溫度為控制參數的各運行策略對應的年平均能耗和系統10年末土壤的溫度如圖12所示。3種運行策略下10年末土壤溫度的差異較為明顯，分別為18.47 ℃、17.33 ℃和17.13 ℃，且地源熱泵優先運行的溫度設定值越低，土壤10年末的溫度越高。在系統能耗方面，地源熱泵優先運行的溫度設定值越高，地源熱泵使用份額越少，系統能耗越小，且這種差異亦較為明顯，策略B3年能耗較B1下降低約6.14%。

圖12 室外干球溫度控制各運行策略年平均耗電量和10年末土壤溫度比較

綜合10年末土壤溫度及年平均耗電量，可以得出在以室外空氣干球溫度為控制參數的各運行策略中，B2策略是三者中最優的系統控制策略。室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度溫差控制策略具體的切換溫度設置如表4。

圖13～圖15為夏熱冬冷地區地源與空氣源熱泵聯合空調系統仿真模型計算出的C1、C2和C3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化。

C3運行策略下的地埋管10年的出水溫度變化最大，從第1年的最大值32.5 ℃降為第10年的最大值27.4 ℃。此3種運行策略比較表明，設定的室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度的差值越小，地源熱泵優先運行的份額越大，地埋管的進出水溫度就越高。

表4 室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度的溫差控制運行策略細化表

圖13 C1運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖14 C2運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

圖15 C3運行策略下地埋管10年的進出水溫度和土壤溫度變化

以室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度溫差為控制參數的各運行策略對應的年平均能耗和系統10年末土壤的溫度如圖16所示。3種運行策略下10年末土壤溫度的差異較小，分別為17.38 ℃、16.80 ℃和16.26 ℃，且地源熱泵優先運行的溫差設定值越低，土壤10年末的溫度越高。在系統能耗方面，策略C2地源熱泵使用份額最少，相應的系統年均能耗最少，較策略C1年均能耗降低約3.6%，較C3降低約2%。可以得出在以室外空氣干球溫度與地埋管出水溫度的差值為控制參數的各運行策略中，C2策略是最優的系統控制策略。

圖16 溫差控制各運行策略年平均耗電量和10年末土壤溫度比較

4.3 3種控制策略比較分析

對3種控制策略進行研究后，得到了3種控制策略下的最佳運行參數設定值，分別為A2（地源優先 3h），B2（溫度控制 3 ℃），C2（溫差控制 5 ℃），這三種運行策略對應的年平均能耗和系統10年末土壤的溫度如圖17所示。

從地源與空氣源熱泵聯合空調系統的節能性角度來看，C2（溫差控制 5 ℃）下的系統年平均耗電量最小，較B2（溫度控制33 ℃）而言，節約了12.9%的年平均能耗；較A2（地源優先3h）而言節約了16.2%年平均能耗。因此，3種運行策略的節能性從好到差依次排序為溫差控制運行策略、溫度控制運行策略和時間控制運行策略。

從地源與空氣源熱泵聯合空調系統的可靠性角度來看，3種各類最優運行策略A2（地源優先3h）、B2（溫度控制33 ℃）、C2（溫差控制5 ℃）下，10末土壤溫度值分別為18.05 ℃、17.33 ℃和16.81 ℃，與土壤初始溫度差值最小的是控制策略A2，在該控制運行策略下，10年內土壤溫度恒定度維持得最好，最能確保長期運行下機組冬季能正常工作。因此，3種運行策略的可靠性從好到差依次排序為時間控制運行策略、溫度控制運行策略和溫差控制運行策略。

從地源與空氣源熱泵聯合空調系統的控制便捷性角度來看，控制輸入參數為2個溫度的溫差控制明顯難于其余兩類控制運行策略。另外，在實際運行中以時間作為運行切換指標更為方便。因此，3種運行策略的控制便捷性從好到差依次排序為時間控制運行策略、溫度控制運行策略和溫差控制運行策略。

圖17 各類最優運行策略年平均耗電量和10年末土壤溫度比較

5 結論

本文介紹了滿足夏熱冬冷地區冬季采暖需求的新型地源與空氣源熱泵聯合空調系統，即制熱時由地源熱泵系統單獨運行制熱，供冷時則可以根據建筑冷負荷情況選擇使用地源熱泵和空氣源熱泵聯合運行或者兩者單獨運行供冷。利用仿真模型，在采用不同的時間、溫度和溫差控制運行策略下對系統進行了模擬研究，得出如下幾點結論：

1） 不同的時間、溫度和溫差控制運行策略下，優先運行3 h、室外空氣干球溫度為33 ℃、溫差為5 ℃時的策略是最優的系統控制策略；

2） 對于目標地源與空氣源熱泵聯合空調系統，若注重節能性，則溫差控制運行策略最優；若注重可靠性，則時間控制運行策略最優；若注重控制便捷性，則時間控制運行策略最優。

本文研究的三類運行策略只是較常見和可操作性比較強的運行策略，在實際運用中還有很多運行方式；各類運行策略相互配合使用也會衍生出許多的運行策略，產生良好的運行效果，需要進一步進行研究，以便供工程應用選擇。

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Study on Operation Strategy for Hybrid Air-conditioning System with Ground Source and Air Source Heat Pumps in Hot Summer and Cold Winter Districts

GU Juan, CHEN Jianbo*, HU Maomao
(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The research object of this paper is a novel hybrid air-conditioning system with ground source and air source heat pumps applied in the hot summer and cold winter districts. Three operation strategies, i.e. the time control strategy, the temperature control strategy and the differential temperature control strategy, are proposed and simulated with thesoftwareof TRNSYS.The system annually average energy consumption and the temperatures of the soil and the ground heat exchanger’s inlet and outlet water at the end of the 10th year are analyzed through simulation. The results show that, the operation strategy with 3 hours of prior running, 33 oC of outdoor air dry-bulb temperature and 5 oC of temperature difference leads to the optimum control strategy, which provides guidance for the practical application of this novel combined heat pump air conditioning system.

Ground source heat pump; Air source heat pump; Control strategy; System simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.107

*陳劍波（1962-），男，教授。研究方向：暖通空調系統集成與節能技術。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號，郵編200093。聯系電話：021-55273240。E-mail：cjbzh@vip.sina.com。