某辦公建筑復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化分析
——基于濟(jì)南地區(qū)

高 偉

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

自1940年以來，人們開始對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析及研究。將太陽能集熱器與地源熱泵的地埋管進(jìn)行組合，讓富余的太陽能儲(chǔ)藏在土壤中，是Penrod在1956年首次提出的設(shè)想，1962年彭羅德提出了太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的工作原理[1]。近年來，地源熱泵在我國發(fā)展迅速，圍繞著復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和探索，越來越多的工程也隨之被投入使用[2]?？紤]到不同地區(qū)建筑冷熱負(fù)荷與太陽能資源的豐富程度不平衡性，地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常采用通過耦合不同的輔助供熱或散熱設(shè)備的措施來提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。比如，楊衛(wèi)波等人進(jìn)行了冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)研究[3]，王成勇等人進(jìn)行了太陽能復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)研究[4]。本文對(duì)濟(jì)南地區(qū)某辦公樓建筑的復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。

根據(jù)太陽能資源分布圖顯示，濟(jì)南屬于三類地區(qū)，太陽能資源較為豐富[5]。因此，該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的時(shí)候。通?？紤]利用太陽能進(jìn)行輔助供熱。但是，由于該地區(qū)大多數(shù)建筑的夏季累計(jì)供冷負(fù)荷大于冬季累計(jì)供熱負(fù)荷，若冬季使用太陽能輔助供熱，會(huì)進(jìn)一步加劇地下?lián)Q熱不平衡。因此，如何充分利用太陽能和地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)各個(gè)能源子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配，是其首要考慮問題。

濟(jì)南地區(qū)的冷熱負(fù)荷不平衡率相對(duì)南方地區(qū)較低，冬季太陽能資源較南方地區(qū)更為豐富，太陽能的復(fù)合使用雖然降低了熱泵系統(tǒng)的供熱能耗，但加劇了系統(tǒng)全年的地下?lián)Q熱不平衡現(xiàn)象。因此需要冷卻塔夏季輔助散熱，一方面減少了地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，降低地埋管系統(tǒng)施工成本；另一方面充分利用了太陽能，降低了系統(tǒng)的整體能耗，還能實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)互為備用的目的。

1 建筑負(fù)荷模擬計(jì)算

圖1 建筑負(fù)荷模型模擬流程圖

模擬結(jié)果顯示，該辦公樓的峰值熱負(fù)荷117.2 kW，峰值冷負(fù)荷138.46 kW。熱負(fù)荷集中在每年的11月～3月，冷負(fù)荷集中在5～9月，3～5月和9～12月處于過渡季節(jié)負(fù)荷較小。采暖時(shí)間取11月16日～3月15日，年累計(jì)熱負(fù)荷為38 453 kwh。供冷時(shí)間取5月16～9月15日，年累計(jì)冷負(fù)荷為86 840 kWh。

2 空調(diào)系統(tǒng)模型建立

2.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果顯示，該建筑存在冷熱負(fù)荷不平衡，采用獨(dú)立地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，向土壤釋放的熱量遠(yuǎn)大于從土壤吸取的熱量。因此，在地埋管式換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)采用夏季的最大排熱量。根據(jù)負(fù)荷及巖土熱物性測(cè)試結(jié)果，參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，經(jīng)計(jì)算：該地源熱泵系統(tǒng)采用管徑DN32的單U型地下?lián)Q熱器，豎直埋管深度100 m，夏季共需鉆孔總長度3473.18 m，考慮富余量，確定該工程實(shí)際設(shè)計(jì)36口埋管深度為100 m換熱井。系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)模型

2.2 冷卻塔與地源熱泵耦合系統(tǒng)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，冷卻塔與地源熱泵的耦合方式有串聯(lián)和并聯(lián)等方式。相關(guān)文獻(xiàn)研究顯示[7]，并聯(lián)系統(tǒng)相比串聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，因此該工程選用并聯(lián)方式耦合冷卻塔和地源熱泵系統(tǒng)。TRNSYS模型如圖3所示。

圖3 冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)模型

根據(jù)地下最大換熱量和鉆孔長度計(jì)算結(jié)果，求比值后單位鉆孔長度換熱量為：制熱季36.46 W/m，制冷季47.11 W/m?？紤]到富余量，該工程選取冬季的單位井深換熱量選取30 W/m，按照冬季的供熱負(fù)荷，地埋管換熱器的換熱量為93.8 kW，需要鉆孔長度約3127 m，共需要32口鉆井深度100 m的換熱井。若夏季平均單位井深的換熱量取為45 W/m，32個(gè)換熱井可負(fù)擔(dān)的最大釋熱量為144 kW。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，夏季最大釋熱量為163.63 kW。所以，冷卻塔需要承擔(dān)約19.63 kW的換熱負(fù)荷。冷卻塔的額定容量約為系統(tǒng)最大排熱量(下文稱為“輔助冷卻比例”)的12%。一般情況下，輔助冷卻比例越大，所選取的輔助設(shè)備功耗也就越大。當(dāng)冷卻塔承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)較大比例冷負(fù)荷時(shí)，冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能可能低于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)。因此，必須對(duì)不同輔助散熱比例系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行比較。冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：

Qcooler=η×Qsys

(1)

L=(1-η)×Qsys/q

(2)

式中，Qcooler——輔助散熱量，kW；

η——輔助冷卻比例，η小于70%；

Qsys——設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大排熱量；

L——對(duì)應(yīng)η的鉆孔設(shè)計(jì)長度；

q——單位鉆孔長度換熱量。

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上文所求得的冷卻塔換熱量近似為輔助冷卻比例10%時(shí)的換熱量。通過調(diào)整鉆孔數(shù)量和冷卻塔容量設(shè)定不同輔助冷卻比例，相應(yīng)的復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻塔設(shè)計(jì)容量和埋管數(shù)量及地埋管換熱器內(nèi)流速/輔助設(shè)備功率

2.3 太陽能/冷卻塔/地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)

考慮到輔助冷卻比例為30%、50%和70%這3組模型時(shí)，地埋管設(shè)計(jì)容量無法滿足冬季換熱需求，因此需要對(duì)這3個(gè)模型進(jìn)行太陽能集熱器的耦合，以利用太陽能承擔(dān)部分供熱負(fù)荷。

太陽能集熱器與地源熱泵的之間耦合方式同樣選擇并聯(lián)，建模如圖4所示。該工程選取的集熱器類型為平板式集熱器，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每平方米太陽能集熱器所匹配的水箱容量80-100 (L/m2)。取均值90L/m2。將3組數(shù)據(jù)中的太陽能集熱器面積留有一定余量，與之相匹配的水箱容量見表2。

圖4 太陽能/冷卻塔/地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)模型

表2 不同輔助冷卻比例下的太陽能集熱器面積及水箱容積

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 技術(shù)性分析

建立①地源熱泵系統(tǒng)、②冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例10%)和太陽能-冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例③30%、④50%、⑤70%)等5個(gè)模型，并進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比數(shù)據(jù)詳見表3。

由表3可看出：①、②兩組土壤溫度上升明顯，存在較為嚴(yán)重的熱堆積現(xiàn)象，使得隨著運(yùn)行時(shí)間增加，機(jī)組運(yùn)行性能出現(xiàn)衰減。相比之下③、④、⑤組的復(fù)合系統(tǒng)地下?lián)Q熱較為平衡，機(jī)組運(yùn)行性能較為穩(wěn)定，尤其在后期，機(jī)組性能高于①、②組。就系統(tǒng)功耗而言，③組的機(jī)組和系統(tǒng)功耗均為最低，其因在于：一方面該系統(tǒng)匹配合理，使機(jī)組始終保持高能效運(yùn)行；另一方面，過低的輔助散熱設(shè)備無法起到降低系統(tǒng)能耗作用，而過高的輔助散熱設(shè)備會(huì)增加輔助系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。所以，進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮o助散熱及供熱(30%)，可以保證系統(tǒng)的總能耗最低。

表3 各系統(tǒng)模型運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)初投資成本分析

系統(tǒng)初投資成本，主要由機(jī)組、地埋管式換熱器、冷卻塔、太陽能熱水系統(tǒng)、水泵等組成。表4為地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算表，輔冷比例為30%～70%的系統(tǒng)投資需考慮太陽能集熱器、集熱泵、蓄熱水箱等投資。計(jì)算得到30%、50%、70%三種系統(tǒng)的初投資分別為55.83萬元、60.37萬元和65.25萬元。

表4 地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算(冷熱源部分)

相較于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)，冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在耦合冷卻塔情況下減少了部分地埋管的設(shè)計(jì)容量，因此投資成本下降6.16萬元；在太陽能-冷卻塔-地源熱泵復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中，隨著冷卻塔比例增大，地埋管設(shè)計(jì)容量相隨之減少，但太陽能面積逐漸增大，輔助冷卻比例30%、50%、70%與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)初投資分別增長-2.77萬元、1.77萬元、6.65萬元。

(2)運(yùn)行費(fèi)用分析

濟(jì)南地區(qū)商業(yè)運(yùn)行電費(fèi)為0.7796元/kW·h，根據(jù)表3各系統(tǒng)累計(jì)總功耗，計(jì)算出各系統(tǒng)20年累計(jì)運(yùn)行電費(fèi)分別為：45.83萬元、45.75萬元、42.02萬元、48.98萬元、57.27萬元。相比較而言，系統(tǒng)③雖然初投資高于系統(tǒng)②，但增加的投資成本在后期運(yùn)行過程可以回收。此外，系統(tǒng)③增加了太陽能系統(tǒng),可以在全年提供免費(fèi)熱水，尤其對(duì)于民用建筑或者對(duì)于存在熱水需求的商業(yè)建筑，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，其地溫增幅也在合理的變化范圍內(nèi)，因此綜合效益遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)形式。

4 結(jié)論

本文針對(duì)濟(jì)南某辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5種不同的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)形式，并進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：相比于冬夏負(fù)荷全部由地埋管系統(tǒng)承擔(dān)的常規(guī)地源熱泵，夏季輔助一定比例(10%)的冷卻塔，可以有效降低系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行成本。若進(jìn)一步增加冷卻塔的輔助散熱比例，則需要在冬季耦合太陽能進(jìn)行輔助供熱。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輔助冷卻比例為30%時(shí)候，該太陽能/冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在五種系統(tǒng)模型中的綜合經(jīng)濟(jì)效益最高，因此選定該系統(tǒng)為建筑物的空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)具體配置為：鉆孔數(shù)量26個(gè)，冷卻塔水流量8.4 m3/h，集熱器面積100 m2,水箱容量9 m3。