基于TRNSYS的地源熱泵系統運行策略分析

吳音璇王健*

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

0 引言

地源熱泵系統是通過輸入少量的高位能，利用地下淺層土壤能量，由地下埋管的管內循環物質與土壤進行閉式熱交換，實現供熱供冷目的的熱泵空調系統。它作為一種節能環保的供熱和空調新技術，近年來在我國得到了非常廣泛和迅速的發展。其中，地埋管地源熱泵采用地埋管換熱器內循環水換取土壤中貯存的溫差能，沒有對自然水源的開采和污染的擔心，因此適用性更廣，安全穩定性更強[1]。據統計，在我國范圍內，已經有多個數十萬平方米規模的地埋管地源熱泵項目。

在地源熱泵技術在發展的同時，也遇到了一些問題，阻礙了它的進一步推廣，其中一個重要問題是地埋管換熱器布置范圍內的土壤熱失衡問題。在我國夏熱冬冷地區，由于地埋管換熱器夏季向土壤放熱量與冬季從土壤的取熱量一般不同，長期的取、放熱不平衡會造成土壤自身溫度與初始設計溫度相差得越來越多，系統長周期運行后必然會導致系統持久運行特性變差，從而失去了該技術的在可靠性和經濟性方面的優勢。因此，本文將對在冷負荷占優的上海地區，基于采用地源熱泵系統的實際建筑，建立動態仿真模型，在主機不同的運行策略情況下，研究土壤的熱平衡情況，埋管出水溫度，熱泵機組的COP以及系統能耗和經濟效益等。通過仿真模擬，確定最佳控制策略，使地源熱泵系統在全壽命周期內穩定、高效運行。并為其它類似項目的設計和運行提供參考。

1 基于TRNSYS的仿真模擬

1.1 TRNSYS軟件簡介

TRNSYS軟件的全稱為Transient System Simulation Program，是一套完整的和可擴展的瞬時系統模擬程序。該軟件已商業化使用近40年，最初由美國Wisconsin-Madison大學太陽能實驗室的研究人員開發。模塊化是該軟件的核心理念，所謂模塊化，即認為所有系統均由若干個小的模塊化的“黑匣子”組件組成，一個模塊實現一種特定的功能，最后匯總就可對整個系統進行瞬時模擬分析[2]。其中，TRNSYS中的地埋管換熱器模型DST（DUCT GROUND HEAT STORAGE MODEL），在地埋管地源熱泵系統的模擬中被廣泛應用。

1.2 模塊簡介

本文采用TRNSYS 16進行模擬仿真，其中，主要用到的模塊有：

1）Type 557：Vertical U-Tube Ground Heat Exchanger（垂直U形地埋管換熱器），TRNSYS中的地埋管換熱器模型是在Hellstrom的儲能傳熱模型（DST）基礎上開發的，DST模型最初用來模擬地下熱存儲系統，在結構上與地埋管換熱器十分相似[3]，因此DST模型也被廣泛應用于地埋管換熱器的模擬。DST模型通過三種溫度的空間疊加得到土壤的溫度分布，三個溫度分別全局傳熱問題、局部傳熱問題、穩態傳熱問題求得。前兩個問題用數值方求解，第三個問題用解析法求解[4]。

2）Type 9e：數據讀取器（專家模式），用于讀取外部文件，例如空調負荷、氣象參數等。

3）Type 225：地源熱泵機組，初始參數為：額定制冷量、額定制熱量、制冷/熱模式額定蒸發器/冷凝器流量等。

4）Type 666：冷水機組，初始參數為：額定制冷量，COP，冷凍水流量，冷卻水流量等。

5）Type 114：定流量水泵，初始設定參數為流量、功率。

6）Type 510：閉式冷卻塔，初始設定參數為設計工況的進出水溫度、干濕球溫度、冷卻水流量、空氣流量、功率。

7）Equation Tool：計算器，可以進行負荷判斷。

1.3 建筑概況與空調系統

本研究的模型是位于上海市靜安區的上海自然博物館，建筑總面積約為45086 m2，其中地上建筑面積12128 m2，地下建筑面積32958 m2。建筑總高度18 m，地上三層，地下兩層。設計總冷負荷5000 kW，總熱負荷2375 kW。

本項目采用地埋管地源熱泵系統提供100%的展廳熱負荷和40%的冷負荷，其余冷負荷由螺桿冷水機組+冷卻塔提供。地源側換熱采用灌注樁埋管與地下連續墻埋管（外圍地下連續墻和地鐵連續墻）兩種形式。其中：灌注樁埋管393個，有效深度45 m。外圍地下連續墻內埋管總計266個，有效深度34～38 m。地鐵連續墻內埋管186個，有效深度18 m[5]。

2 仿真模型的搭建和擬合

2.1 仿真模型的搭建

TRNSYS采用模塊化的思想，有著強大的模擬控制器的功能，可以模擬各種復雜的控制方式。因為TRNSYS立足于系統而不是建筑，它在建筑負荷上的模擬偏弱[6]。所以在本研究中，采用eQuest計算建筑全年逐時負荷，再通過TRNSYS的Type 9 Data Reader模塊導入TRNSYS模型，進行模擬計算。這樣既同時采用了TRNSYS和eQuest兩個軟件不同的模擬優勢，又可以有效地簡化TRNSYS模型，減少模擬的時間。圖1為空調系統在TRNSYS中的模型結構圖。

圖1 TRNSYS Simulation Studio中的空調系統模型結構圖

2.2 仿真模型的擬合

本文采用對上海自然博物館運行實測的數據，與TRNSYS模擬所得的結果進行對比。選取冬季最冷三個月，即12月、1月、2月各月典型日機組蒸發器進出水溫度和夏季最熱三個月，即6月、7月、8月各月典型日機組冷凝器進出水溫度。下面以冬季典型日機組蒸發器進出水溫度為例進行分析。

由表1可以看出，將冬季典型日機組蒸發器進出水實測溫度與模擬結果進行比較，大部分誤差在5%以內，小部分誤差在5%～10%之間。可認為模型可靠。

表1 實測、模擬冬季典型日機組蒸發器進出水溫度

3 地源熱泵系統仿真結果分析

對于本研究中的復合地源熱泵系統（地源熱泵+冷水機組/冷卻塔），不同的開機策略會對地埋管區域土壤溫度、機組COP等多方面產生明顯的影響，同時也會產生不同的經濟效益。因此，本研究選擇兩種不同的開機策略，則分別對熱平衡，能耗和經濟性進行了分析。

其中，策略一，根據負荷的大小，在供冷季節優先選擇選開啟源熱泵機組，在地源熱泵機組無法滿足供冷需求的時候，再開啟冷水機組。策略二，根據負荷大小，在供冷季節優先開啟冷水機組，在冷水機組無法滿足供冷需求的時候，再開啟地源熱泵機組。具體的開機策略如圖2、圖3所示。

圖2 開機策略一

圖3 開機策略二

3.1 熱平衡分析

在地源熱泵系統中，土壤溫度的變化主要是在前十年，后幾十年變化相對較小[7]。因此，以下熱平衡的分析，將模擬的時間確定為十年（87600 h）。

3.1.1 機組運行策略一分析

策略一，根據負荷的大小，在供冷季節優先選擇選開啟源熱泵機組，在地源熱泵機組無法滿足供冷需求的時候，再開啟冷水機組。

由于上海處于夏熱冬冷地區，夏季建筑物的冷負荷的絕對值要高于冬季熱負荷，且夏季土壤還要承擔熱泵機組、水泵等設備的散熱，故地埋管向土壤的排熱量大于從土壤的取熱量。

經TRNSYS模擬，得到如圖4、圖5所示，熱泵機組運行10年的地埋管區域土壤平均溫度，埋管出水溫度與熱泵機組的COP變化曲線。

如圖4所示，在此運行策略中，地源熱泵機組連續運行10年，土壤平均溫度由17.4℃變為34.5℃，升高了17.1℃。地埋管換熱器的最高出水溫度從31.3℃變為47.5℃，升高了16.2℃。

圖4 策略一地埋管出水溫度與土壤平均溫度曲線

如圖5所示，因為在運行期間，土壤的溫度不斷升高，從而遠離設計溫度，冷卻水溫度隨之升高，從而，熱泵制冷COP有所降低，而制熱COP相應的有所升高。

圖5 策略一地源熱泵機組COP

由此可見，因為在此建筑中，場館所需要的熱量遠遠小于所需要的冷量，而且供冷、供熱季運行時間相差很大。供冷季部分時間需要全天24 h運行，供熱季只需工作時間運行約8～9個h，所以若是采用策略一，優先啟動地源熱泵機組，會導致向土壤的嚴重取放熱不平衡。

3.1.2 機組運行策略二分析

策略二，根據負荷大小，在供冷季節優先開啟冷水機組，在冷水機組無法滿足供冷需求的時候，再開啟地源熱泵機組。

由于冷水機組的制冷量比地源熱泵機組的制冷量大很多，在供冷季，冷水機組可以承擔大部分的基礎負荷，而余下的冷負荷才是地源熱泵機組承擔。另一方面，供熱季節的熱負荷全部由地源熱泵機組承擔。故全年地埋管向土壤的排熱量和從土壤的取熱量基本可以達到平衡。

經TRNSYS模擬，得到如圖6、圖7所示，熱泵機組運行10年的地埋管區域土壤平均溫度，埋管出水溫度與熱泵機組的COP變化曲線。

如圖6所示，在此運行策略中，地源熱泵機組連續運行10年，土壤平均溫度由17.4℃變為16.8℃，降低了0.6℃。地埋管換熱器的最高出水溫度從26.4℃變為25.8℃，降低了0.6℃。

圖6 策略二地埋管出水溫度與土壤平均溫度曲線

如圖7所示，因為在運行期間，土壤溫度基本保持不變，地源熱泵機組的運行可以看作始終處于設計工況，機組的COP幾乎沒有下降。

圖7 策略二地源熱泵機組COP

由此可見，在此建筑中，雖然場館的熱需求遠遠小于冷需求，但是若是采用策略二，優先啟動制冷量較大的冷水機組，冷水機組優先承擔較多的冷負荷，而地源熱泵系統在夏季向土壤排放的熱量，與它在冬季從土壤取得的熱量基本可以達到相等。

3.2 能耗和經濟效益分析

3.2.1 能耗分析

因為冷水機組的制冷能耗與機組負荷率，室外溫濕度、冷卻塔性能等很多因素有關，地源熱泵機組的制冷、制熱能耗也與機組負荷率，土壤溫度，埋管進出水溫度等多個因素有關，所以有必要在對系統進行動態模擬的基礎上獲得制冷、制熱總能耗。基于前文建立的TRNSYS模型，對不同的兩種運行策略進行全年的動態模擬。模擬結果如圖8，圖9和表2所示。

圖8 策略一各項能耗

圖9 策略二各項能耗

從表2中可以看出，以系統總能耗來分析，全年策略一比策略二節能6.87%。以上結果顯示，策略一即率先開啟地源熱泵機組的節能效果較為顯著。

表2 兩種策略全年能耗匯總表

3.2.2 經濟效益評價

經濟效益評價是方案合理化選擇的重要手段，經濟效益的評價方法很多。在本次研究中，由于兩種運行策略的兩臺地源熱泵機組和兩臺冷水機組的設備費，安裝費，土建費，配套設施費及其它費用相同，故初投資相同。因此，下面僅對兩種運行策略的年運行費用進行討論。

運行費包含系統耗能費用和耗水費用，一般采用數量乘以單價計算。本工程為博物館，電價按非居民電價0.64元/kWh收取。自來水按5.8元/m3收取。

耗水量主要考慮冷卻塔部分的水消耗量，按其年循環量的1.5%計算。運行費用計算結果見表3。從表3可以看出，策略一的年運行費用比策略二低了4.49萬元，年運行費用節省了6.6%，有一定的經濟效益。

表3 各方案年運行費用

4 結論

1）在夏熱冬冷地區，對于復合式地源熱泵系統來說，不同的開機策略，對土壤熱平衡，機組COP以及能耗和經濟性，都會產生顯著不同的影響。

2）對于熱需求遠遠小于冷需求的博物館，根據負荷優先啟動制冷量較大的冷水機組，當無法滿足要求時再啟動地源熱泵機組，這樣有利于保持土壤的熱平衡，使系統能夠持續高效地運行。

3）在初投資相同的情況下，優先開啟地源熱泵機組的年運行費用比優先開啟冷水機組的年運行費用減少了6.6%，其具有較好的經濟效益。