基于土壤冷熱平衡的復(fù)合能源系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 魏俊輝 褚 賽 劉啟明 申雪云 鮑 超

0 引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于具有高效節(jié)能、安全穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。地埋管地源熱泵系統(tǒng)理想的運(yùn)行情況是一年中系統(tǒng)冬季從土壤中的取熱量與夏季釋放到土壤中的熱量平衡，地埋管換熱器長時間運(yùn)行后不會引起土壤平均溫度的變化。GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：“地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最小計(jì)算周期宜為1年。計(jì)算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡”[1]。但由于各地氣象條件、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及使用功能不同，引起了建筑冷、熱負(fù)荷的不平衡，從而導(dǎo)致地埋管周圍土壤溫度出現(xiàn)逐年上升或下降的趨勢，直接導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)下降，耗電量增加，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。目前，地源熱泵土壤排/取熱量不平衡問題，已成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的課題。

地埋管地源熱泵運(yùn)行特性受諸多因素影響，雖然有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究[2]，并且研究結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)管間距、埋管深度或者增加土壤和回填料導(dǎo)熱系數(shù)都可緩解冷熱量不平衡問題，但未能從根本上解決問題[3]。基于工程項(xiàng)目中暴露出的冷熱不平衡問題，許多學(xué)者從系統(tǒng)形式設(shè)計(jì)上提出了復(fù)合能源解決方案：針對冬季熱負(fù)荷大于夏季冷負(fù)荷的北方地區(qū)，利用市政熱力、燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵、太陽能等與地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行耦合；而對于夏季冷負(fù)荷明顯大于冬季熱負(fù)荷的南方地區(qū)，則借助冷水機(jī)組、空氣源熱泵與地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行耦合。

與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)相比，復(fù)合能源系統(tǒng)既能解決土壤熱失衡問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，又能降低系統(tǒng)初投資。然而，土壤冷熱平衡不僅與復(fù)合能源系統(tǒng)中地源熱泵系統(tǒng)的能源占比有關(guān)，更與地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間有關(guān)，因此，復(fù)合能源系統(tǒng)運(yùn)行策略的研究就顯得尤為重要。本文以北京市某宿舍樓為例，利用DeST軟件計(jì)算了全年逐時動態(tài)負(fù)荷，采用GLD(ground loop design)軟件模擬了系統(tǒng)不同控制策略下的運(yùn)行狀態(tài)，得出了既能滿足土壤冷熱平衡需求，又能保證系統(tǒng)高效運(yùn)行的最佳運(yùn)行策略。

1 工程概況

案例項(xiàng)目為北京市某高端藝術(shù)中心配套宿舍建筑，共含3棟布局相同的宿舍樓。每棟建筑面積5 750.8 m2，空調(diào)面積3 275.6 m2，地上8層，地下3層，建筑高度30 m。根據(jù)甲方需求、工程項(xiàng)目實(shí)際情況及節(jié)能需求，擬采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)為主要能源，為建筑提供冷熱源。地埋管換熱器選用公稱直徑32 mm的高密度聚乙烯(HDPE100)雙U形管，有效埋深150 m，孔間距不小于4.2 m，孔徑不小于150 mm，回填料為膨潤土和細(xì)砂的混合漿，鉆孔時取出的泥砂漿凝固后若收縮量很小，也可用作回填料。地埋管換熱系統(tǒng)根據(jù)土壤熱物性參數(shù)及建筑動態(tài)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 負(fù)荷模擬

2.1 模型建立

負(fù)荷模擬采用DeST軟件，根據(jù)相關(guān)建筑圖紙，在DeST中建立三維拓?fù)淠Ｐ停鐖D1所示。

圖1 建筑三維拓?fù)淠Ｐ?/p>

2.2 計(jì)算結(jié)果

將建筑地理位置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、熱工參數(shù)、房間功能、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)(夏季25 ℃、冬季18 ℃)、室內(nèi)熱擾參數(shù)、全年熱擾及空調(diào)系統(tǒng)作息模式等輸入模型，在DeST軟件中進(jìn)行全年8 760 h的逐時動態(tài)負(fù)荷模擬，計(jì)算出建筑全年逐時動態(tài)冷熱負(fù)荷分布。根據(jù)北京地區(qū)氣候特點(diǎn)及建筑使用功能，確定該項(xiàng)目供冷時間為5月15日至9月15日共計(jì)4個月，供暖時間為11月15日至次年3月15日共計(jì)4個月，空調(diào)系統(tǒng)全天24 h運(yùn)行。其余時間為過渡季，無需供冷及供暖。該項(xiàng)目動態(tài)負(fù)荷分布如圖2所示。

圖2 動態(tài)負(fù)荷分布

由動態(tài)負(fù)荷分布計(jì)算出該樓峰值冷負(fù)荷為1 740.40 kW，峰值熱負(fù)荷為576.29 kW；累計(jì)冷負(fù)荷為773 213.66 kW·h，累計(jì)熱負(fù)荷為670 306.04 kW·h。該項(xiàng)目單位空調(diào)面積冷負(fù)荷指標(biāo)為177.1 W/m2，較一般的北京市居住建筑冷負(fù)荷指標(biāo)高，經(jīng)分析主要由空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、室內(nèi)燈光照度、人員及人均散熱量等三方面因素造成：空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25 ℃，較一般設(shè)計(jì)溫度26 ℃低，室內(nèi)外空氣溫差導(dǎo)致的經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量大；室內(nèi)燈光照度500 lx，較一般設(shè)定照度50～200 lx大，照明散熱冷負(fù)荷大；人員密度及人均散熱量分別為10 m2/人、67 W/人，較一般設(shè)定10～20 m2/人、50～60 W/人大，人體散熱冷負(fù)荷偏大。

若采用單獨(dú)地源熱泵系統(tǒng)為建筑冬季供暖、夏季供冷，全年向土壤的排熱量為927 856.40 kW·h，全年從土壤的取熱量為502 729.53 kW·h，全年排/取熱不平衡率為45.82%。由此可知，該項(xiàng)目夏季的排熱量遠(yuǎn)大于冬季的取熱量，長期運(yùn)行后，排/取熱的不平衡將導(dǎo)致作為冷源的地埋管周圍土壤溫度逐年升高而形成熱堆積，地源熱泵機(jī)組運(yùn)行效率逐年下降，最終系統(tǒng)難以正常運(yùn)行。

除了土壤熱失衡這一現(xiàn)實(shí)性技術(shù)難題，初投資大是抑制地源熱泵系統(tǒng)不能大面積推廣應(yīng)用的又一重要原因。相比傳統(tǒng)的冷水機(jī)組，地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的埋管敷設(shè)投資不具有優(yōu)勢。對于該項(xiàng)目而言，如果單獨(dú)采用地源熱泵系統(tǒng)為建筑冬季供暖、夏季供冷，勢必會按照較大的全年冷負(fù)荷需求來設(shè)計(jì)埋管長度，埋管的換熱量在冬季供暖期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其建筑熱負(fù)荷需求。這樣不但不能保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，還大大增加了系統(tǒng)初投資[4]。另外，增加埋管敷設(shè)長度也占用大量的土地面積，在如今建筑數(shù)量密集、土地使用緊張的大城市，地源熱泵的應(yīng)用會受到一定程度的影響。

3 方案設(shè)計(jì)

為解決排/取熱量不平衡的問題，使地源熱泵系統(tǒng)更加高效地運(yùn)行，采用地源熱泵系統(tǒng)加輔助冷源來提高地源熱泵系統(tǒng)的效率和節(jié)能水平，同時降低系統(tǒng)的初投資。

通過上述熱平衡分析，結(jié)合計(jì)算得出的冬夏季冷熱負(fù)荷差值，采用地源熱泵+冷水機(jī)組的復(fù)合能源形式為建筑提供冷熱源。冬季單獨(dú)運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)為建筑供暖，夏季地源熱泵系統(tǒng)與冷水機(jī)組系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行為建筑供冷，地埋管數(shù)量根據(jù)冬季負(fù)荷確定。該復(fù)合系統(tǒng)的原理如圖3所示。夏季制冷工況下，該復(fù)合系統(tǒng)既能穩(wěn)定聯(lián)合運(yùn)行，又能降低末端循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行的流量折減。經(jīng)過合理計(jì)算匹配，主機(jī)設(shè)備的選型參數(shù)如表1所示。

1.地源熱泵機(jī)組；2.冷水機(jī)組；3.空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵；4.地源側(cè)循環(huán)水泵；5.冷卻塔側(cè)循環(huán)水泵；6.冷卻塔；7.定壓補(bǔ)水裝置；V1～12.閥門。圖3 地源熱泵+冷水機(jī)組復(fù)合能源系統(tǒng)原理

表1 主機(jī)設(shè)備選型參數(shù)

4 運(yùn)行策略

4.1 溫度控制策略

在以往研究中，有學(xué)者以主要能源機(jī)組回水溫度為控制參數(shù)，制定了相應(yīng)的運(yùn)行策略。在機(jī)組運(yùn)行過程中對回水溫度進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)運(yùn)行溫度高于此溫度并保持一定時間，且監(jiān)測到機(jī)組滿負(fù)載率運(yùn)行時，表明單獨(dú)運(yùn)行主要能源系統(tǒng)無法滿足負(fù)荷需求，需要輔助能源進(jìn)行調(diào)峰，此時開啟輔助能源系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)行溫度低于此溫度并保持一定時間時，關(guān)閉輔助能源系統(tǒng)。

此種運(yùn)行策略以溫度為監(jiān)控點(diǎn)，以某一種能源形式承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，另一種能源形式作為調(diào)峰使用，通過監(jiān)測溫度確定輔助能源的啟停。對于該復(fù)合能源系統(tǒng)而言，有2種運(yùn)行方案：第一種是以地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，冷水機(jī)組作為調(diào)峰使用；第二種是以冷水機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，地源熱泵系統(tǒng)作為調(diào)峰使用。

4.1.1地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷

在夏季部分負(fù)荷時先運(yùn)行地埋管地源熱泵系統(tǒng)，通過監(jiān)測機(jī)組回水溫度及機(jī)組負(fù)載率，判定單獨(dú)運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)能否滿足建筑負(fù)荷需求。當(dāng)負(fù)荷增大、無法滿足設(shè)計(jì)工況時開啟冷水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰。

各個系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷如圖4所示，該方案的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)揮了地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保、高效、節(jié)能的作用，降低了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

圖4 地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時各種能源承擔(dān)的負(fù)荷

如圖4所示，在該種運(yùn)行策略下，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的峰值冷負(fù)荷為581.85 kW，承擔(dān)的累計(jì)冷負(fù)荷為713 891.16 kW·h；地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部熱負(fù)荷，承擔(dān)的峰值熱負(fù)荷為576.29 kW，承擔(dān)的累計(jì)熱負(fù)荷為670 306.04 kW·h。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤排熱量為856 669.39 kW·h，從土壤取熱量為502 729.53 kW·h，全年排/取熱不平衡率為41.32%。

地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用GLD軟件。GLD是一種模塊化的地源熱泵系統(tǒng)地下環(huán)路設(shè)計(jì)專業(yè)軟件，可用于大、中、小型商業(yè)建筑、居住建筑豎直埋管、水平埋管和地表水等多種地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工。將系統(tǒng)供冷季/供暖季峰值負(fù)荷、各月累計(jì)負(fù)荷、設(shè)計(jì)溫度和流量下的熱泵參數(shù)，如熱泵制冷/熱量、制冷/熱功率、機(jī)組COP/EER，以及流體參數(shù)、土壤參數(shù)、U形管參數(shù)、布孔型式等信息輸入軟件進(jìn)行計(jì)算，獲得鉆孔全長、井孔數(shù)、井孔深度、進(jìn)水溫度和出水溫度等結(jié)果及系統(tǒng)運(yùn)行10 a井群區(qū)域內(nèi)土壤溫度的變化。

GLD軟件輸入?yún)?shù)、模擬結(jié)果分別如表2、3所示。該系統(tǒng)共需設(shè)計(jì)地埋孔延米數(shù)為17 234 m，系統(tǒng)運(yùn)行10 a井群區(qū)域內(nèi)土壤溫升為1.6 ℃。在地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)，井群區(qū)域內(nèi)土壤溫度將升高3～4 ℃。有資料[4]顯示，土壤溫度每升高1 ℃，系統(tǒng)效率將降低3%～4%，在地源熱泵系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)效率將降低12%～15%。長期運(yùn)行，系統(tǒng)效率將逐年下降，最終超出機(jī)組的運(yùn)行溫度，無法正常運(yùn)行。

表2 地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時GLD軟件輸入?yún)?shù)

表3 地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時GLD軟件模擬結(jié)果

4.1.2冷水機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷

在夏季部分負(fù)荷時優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)組系統(tǒng)，通過監(jiān)測機(jī)組回水溫度及機(jī)組負(fù)載率，判定單獨(dú)運(yùn)行冷水機(jī)組系統(tǒng)能否滿足建筑負(fù)荷需求。當(dāng)負(fù)荷增大、無法滿足設(shè)計(jì)工況時開啟地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰。

各個系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷如圖5所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是冷水機(jī)組可以充分運(yùn)行在室外干、濕球溫度相對較低的時段，提高了運(yùn)行效率。

圖5 冷水機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時各種能源承擔(dān)的負(fù)荷

如圖5所示，在該種運(yùn)行策略下，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的峰值冷負(fù)荷為525.4 kW，承擔(dān)的累計(jì)冷負(fù)荷為2 767.96 kW·h；地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部熱負(fù)荷，承擔(dān)的峰值熱負(fù)荷為576.29 kW，承擔(dān)的累計(jì)熱負(fù)荷為670 306.04 kW·h。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤的排熱量為3 321.56 kW·h，從土壤的取熱量為502 729.53 kW·h，全年排/取熱不平衡率為99.34%。

GLD軟件輸入?yún)?shù)、模擬結(jié)果分別如表4、5所示。該系統(tǒng)共需設(shè)計(jì)地埋孔延米數(shù)為26 481 m，較地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷方案增加了53.91%。系統(tǒng)運(yùn)行10 a井群區(qū)域內(nèi)土壤溫升為1.9 ℃。在地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)，井群區(qū)域內(nèi)土壤溫度將升高4～5 ℃。地源熱泵系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)效率將降低15%～20%。長期運(yùn)行，系統(tǒng)效率將逐年下降，最終超出機(jī)組的運(yùn)行溫度，無法正常運(yùn)行。

表4 冷水機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時GLD軟件輸入?yún)?shù)

表5 冷水機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷時GLD軟件模擬結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算分析可知：

1) 系統(tǒng)全年排/取熱不平衡率越高，所需地埋孔延米數(shù)越長，土壤溫度波動越明顯；

2) 單純采用溫度控制的運(yùn)行策略，不管是以地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，還是以冷水機(jī)組系統(tǒng)承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，都無法徹底解決土壤全年取排熱不平衡的問題。

因此，筆者提出分時段-溫度控制概念，采用溫度與時間雙重控制系統(tǒng)運(yùn)行策略，來解決系統(tǒng)全年排/取熱不平衡的問題。

4.2 分時段-溫度控制運(yùn)行策略

分時段-溫度控制指根據(jù)一年中不同季節(jié)或一天中的不同時段來控制機(jī)組的啟停，為了避免發(fā)生水環(huán)路溫度過高的情況，用設(shè)定機(jī)組最高回水溫度的控制方法作為補(bǔ)充。

分時段-溫度控制需要結(jié)合建筑所在區(qū)域的氣候條件和全年日負(fù)荷等數(shù)據(jù)制定系統(tǒng)的運(yùn)行策略，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。對于該系統(tǒng)，當(dāng)室外濕球溫度較低時，可以優(yōu)先冷水機(jī)組運(yùn)行，充分發(fā)揮冷卻塔向低溫環(huán)境排熱的優(yōu)勢，給予地埋管土壤溫度恢復(fù)的時間，避免埋管周圍熱量堆積。

分時段-溫度控制有很多方式，主要分為2類：

一類是根據(jù)一天中不同時段控制機(jī)組的啟停，例如考慮到夜間(例如00：00—06：00)室外濕球溫度較低，可以優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)組；另一類是根據(jù)一年中不同季節(jié)控制機(jī)組的啟停，例如在初夏，室外濕球溫度較低時，可以優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)組，在夏末，地埋管周圍土壤溫度已經(jīng)升高，冷負(fù)荷處于較低的水平，繼續(xù)讓地埋管工作會導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，此時可以讓冷水機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，讓其承擔(dān)這部分較低的冷負(fù)荷，使得系統(tǒng)整體運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)。

本文以根據(jù)一年中不同季節(jié)控制機(jī)組啟停方式為例進(jìn)行分析，在初夏或夏末時單獨(dú)運(yùn)行冷水機(jī)組，在其他時間段，地源熱泵機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，冷水機(jī)組作為調(diào)峰使用。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于既充分利用了室外干、濕球溫度相對較低時段，提高了冷水機(jī)組的運(yùn)行效率，又充分發(fā)揮了地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保、高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

各個系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷如圖6所示。在5月15日至6月15日的初夏及8月15日至9月15日的夏末單獨(dú)運(yùn)行冷水機(jī)組，其他時間段，地源熱泵機(jī)組承擔(dān)基礎(chǔ)冷負(fù)荷，冷水機(jī)組作為調(diào)峰使用，能解決系統(tǒng)全年排/取熱不平衡的問題。

圖6 不同季節(jié)控制機(jī)組啟停方式各種能源承擔(dān)的負(fù)荷

如圖6所示，在該種運(yùn)行策略下，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的峰值冷負(fù)荷為581.85 kW，承擔(dān)的累計(jì)冷負(fù)荷為494 043.70 kW·h；地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部熱負(fù)荷，峰值熱負(fù)荷為576.29 kW，累計(jì)熱負(fù)荷為670 306.04 kW·h。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤的排熱量為592 851.24 kW·h，從土壤的取熱量為502 729.53 kW·h，全年排/取熱不平衡率為15.2%。

GLD軟件輸入?yún)?shù)、模擬結(jié)果分別如表6、7所示。該系統(tǒng)共需設(shè)計(jì)地埋孔延米數(shù)約為17 234 m，系統(tǒng)運(yùn)行10 a井群區(qū)域內(nèi)土壤溫升為0.2 ℃。在地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)，井群區(qū)域內(nèi)土壤溫升僅為0.4～0.5 ℃。因此，在全壽命周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。

表6 不同季節(jié)控制機(jī)組啟停方式GLD軟件輸入?yún)?shù)

表7 不同季節(jié)控制機(jī)組啟停方式GLD軟件模擬結(jié)果

5 結(jié)論

1) 系統(tǒng)全年排/取熱不平衡率越高，所需地埋孔延米數(shù)越長，土壤溫度波動越明顯。

2) 單純采用溫度控制的運(yùn)行策略，不管是以哪種能源形式承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，都無法徹底解決全年排/取熱不平衡的問題。

3) 采用分時段-溫度控制，即溫度與時間雙重控制運(yùn)行策略，能夠解決全年排/取熱不平衡的問題。

4) 分時段-溫度控制需要結(jié)合建筑所在區(qū)域的氣候條件和全年日負(fù)荷等數(shù)據(jù)制定系統(tǒng)的運(yùn)行策略，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。