顧娟，陳劍波，胡毛毛

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093）

夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略的研究

顧娟，陳劍波*，胡毛毛

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093）

以夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出3種運(yùn)行控制策略，并通過(guò)基于TRNSYS的仿真模型的構(gòu)建，在不同控制策略（時(shí)間控制、溫度控制、溫差控制）設(shè)定值下對(duì)仿真模型進(jìn)行模擬，分析系統(tǒng)年平均能耗以及10年末土壤及地埋管進(jìn)出水溫度；優(yōu)先運(yùn)行3 h、室外空氣干球溫度為33 ℃、溫差為5 ℃時(shí)的策略是最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略，為實(shí)際工程應(yīng)用提供運(yùn)行控制方法和指導(dǎo)。

地源熱泵；空氣源熱泵；控制策略；系統(tǒng)模擬

0 引言

近年來(lái)，夏熱冬冷地區(qū)的建筑供暖需求問(wèn)題日益顯著[1]。地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，可實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[2-7]。然而，單一地使用地源熱泵會(huì)造成地下熱堆積問(wèn)題，因此復(fù)合式地源熱泵應(yīng)運(yùn)而生。

1995年，美國(guó)采暖學(xué)會(huì)首次闡述復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在大型商用和公共建筑中具有優(yōu)勢(shì)[8]。2003年，曲云霞等[9]研究了地源熱泵系統(tǒng)輔助散熱設(shè)備的形式和設(shè)計(jì)方法，提出當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱器的出水溫度超過(guò)土壤溫度 20 ℃時(shí)，宜開(kāi)啟輔助散熱設(shè)備。2009年，同濟(jì)大學(xué)的蔡晶晶等[10]針對(duì)冷卻塔輔助冷卻形式，討論了不同的設(shè)計(jì)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(chǔ)熱器的耦合系統(tǒng)作為建筑空調(diào)系統(tǒng)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(xué)李先庭等[12]提出利用季節(jié)性蓄存環(huán)境空氣熱能的新型地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠維持土壤的熱平衡，且系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)22.13%。

現(xiàn)階段的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)主要是通過(guò)增加輔助散熱裝置實(shí)現(xiàn)維持土壤熱平衡的目的，但這些輔助裝置的增加會(huì)引起相應(yīng)的循環(huán)、動(dòng)力設(shè)備的增加，系統(tǒng)比較復(fù)雜[13]。針對(duì)這種情況，從維護(hù)土壤熱平衡、降低系統(tǒng)初投資、提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性等方面考慮，采用地源熱泵聯(lián)合其他類(lèi)型熱泵共同承擔(dān)建筑物空調(diào)需求策略。本文將介紹一種新型的地源與空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用。

運(yùn)行策略對(duì)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果、運(yùn)行特性有著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略的研究主要集中在冷卻塔與地埋管復(fù)合的形式。

YAVUZTURK等[14]在TRNSYS模擬軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用g-function地下埋管模型，用5種不同的控制策略對(duì)某復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)20年的模擬。2007年，天津大學(xué)的王華軍等[15]運(yùn)用VB程序語(yǔ)言建立了基于圓柱熱源理論的評(píng)價(jià)模型。2008年，香港理工大學(xué)的滿意[16]對(duì)香港地區(qū)某辦公樓的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明采用設(shè)定進(jìn)入機(jī)組水溫超過(guò)環(huán)境濕球溫度3 ℃時(shí)開(kāi)啟冷卻塔，運(yùn)行效果最好。2011年，同濟(jì)大學(xué)的花莉等[17]對(duì)4種策略下的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了比較，基于溫差控制的策略運(yùn)行費(fèi)用最低。

目前，地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的研究還較少，且缺乏對(duì)于該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究。研究系統(tǒng)運(yùn)行策略的作用就在于根據(jù)這些外部因素調(diào)控地源熱泵和空氣源熱泵的匹配方式，使得系統(tǒng)能夠長(zhǎng)久地穩(wěn)定高效地運(yùn)行。因此運(yùn)用仿真模擬，研究地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略是必要的。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

本文提出的新型地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

目標(biāo)建筑物為上海某大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，建筑物空調(diào)區(qū)域面積為 500 m2。通過(guò) DesignBuilder 動(dòng)態(tài)模擬算出該工程實(shí)訓(xùn)中心空調(diào)區(qū)域的全年冷熱負(fù)荷，目標(biāo)建筑夏季最大冷負(fù)荷116 kW，冬季最大熱負(fù)荷95.7 kW。

根據(jù)建筑物的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷可得出，單一使用地源熱泵作為冷熱源時(shí)，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(wèn)題，空氣源熱泵需承擔(dān)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(lián)合空調(diào)系統(tǒng)按照冬季最大熱負(fù)荷選取地源熱泵機(jī)組容量，空氣源熱泵機(jī)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(jù)建筑物模擬所得的最大冷熱負(fù)荷，考慮相應(yīng)的裕度，對(duì)雙熱泵機(jī)組進(jìn)行選型，如表1所示。

表1 熱泵機(jī)組的型號(hào)

2 運(yùn)行策略優(yōu)化方案分析

夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略應(yīng)首先保證空氣源熱泵在夏季制冷工況的充分運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)維護(hù)土壤熱平衡的目的，從而確保多年后夏季制冷時(shí)地埋管水溫能使熱泵機(jī)組正常工作，不致失效。而同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的目的，空氣源熱泵在制冷季的運(yùn)行份額上需要尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，并不需要始終優(yōu)先運(yùn)行。這樣不但讓系統(tǒng)更長(zhǎng)久穩(wěn)定的運(yùn)行，而且有利于提升系統(tǒng)即時(shí)運(yùn)行能效，從而使地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間的正常穩(wěn)定節(jié)能地運(yùn)行。

室外空氣的干球溫度是一個(gè)能直接體現(xiàn)空氣源熱泵機(jī)組能效的指標(biāo)，同樣的，地埋管的出水溫度是影響地源熱泵系統(tǒng)能效的重要指標(biāo)。當(dāng)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(shí)，切換系統(tǒng)制冷優(yōu)先次序，由地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先制冷。上述的前一個(gè)切換條件為溫度控制，后一個(gè)切換條件即為溫差控制。

具體系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化途徑如下：

1） 切換時(shí)間控制運(yùn)行策略；

2） 室外空氣干球溫度控制運(yùn)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(yùn)行策略。

評(píng)價(jià)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)劣并不在于某一時(shí)刻系統(tǒng)能效的最優(yōu)，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(huì)惡化，維持系統(tǒng)長(zhǎng)期且高效穩(wěn)定地運(yùn)行。所以若要判斷上述3種運(yùn)行策略對(duì)于系統(tǒng)哪種較優(yōu)，需要對(duì)系統(tǒng)多年運(yùn)行積累的地埋管換熱特性進(jìn)行分析計(jì)算，而在這方面，系統(tǒng)的模擬仿真是較實(shí)測(cè)更為有效的研究手段[18]。

3 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)耦合的過(guò)程，這一本質(zhì)需要在系統(tǒng)的仿真模型中得到充分體現(xiàn)。TRNSYS瞬態(tài)模擬過(guò)程即是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)值求解過(guò)程，通過(guò)對(duì)模擬所得的瞬態(tài)結(jié)果積分可以得到長(zhǎng)期累積的性能。室外氣象條件、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)熱源的發(fā)熱狀況和室內(nèi)外通風(fēng)狀況等多種因素共同作用于建筑物，形成建筑負(fù)荷。

建筑負(fù)荷是決定系統(tǒng)運(yùn)行和機(jī)組開(kāi)啟策略的基本因素，實(shí)際上也直接關(guān)聯(lián)著系統(tǒng)冷熱源的負(fù)荷側(cè)的供回水溫度變化，而負(fù)荷側(cè)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(jī)組的性能，負(fù)荷側(cè)的供回水溫度變化和地埋管的進(jìn)出水溫度變化決定地源熱泵機(jī)組的實(shí)時(shí)性能，同時(shí)地源熱泵機(jī)組的實(shí)時(shí)性能與當(dāng)時(shí)地埋管換熱器通過(guò)其進(jìn)出水形成耦合過(guò)程。系統(tǒng)運(yùn)行策略的作用就在于根據(jù)這些外部因素調(diào)控地源熱泵和空氣源熱泵的匹配方式，使得系統(tǒng)能夠長(zhǎng)久地穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

4 不同控制策略下地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)性能仿真分析

4.1 系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證

在上海典型氣象數(shù)據(jù)中選取使目標(biāo)建筑物處于75%冷負(fù)荷工況下的一天，作為典型夏季制冷日，并在該天對(duì)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)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(tǒng)仿真模型模擬出來(lái)的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)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(tǒng)運(yùn)行情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 地源熱泵運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

圖3 空氣源熱泵運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

圖4 制熱工況下地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

4.2 不同控制策略運(yùn)行分析

切換時(shí)間控制運(yùn)行策略的具體切換時(shí)間設(shè)置如表2所示。

表2 切換時(shí)間控制運(yùn)行策略細(xì)化表

圖5～圖7為夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)仿真模型計(jì)算出的A1、A2和A3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化。從夏季地埋管進(jìn)出水溫度的角度來(lái)看，A1運(yùn)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(yùn)行策略比較表明，設(shè)定的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，地埋管的進(jìn)出水溫度就越高。

以切換時(shí)間為控制參數(shù)的各運(yùn)行策略對(duì)應(yīng)的年平均能耗和系統(tǒng)10年末土壤的溫度如圖8所示。在3種運(yùn)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(yōu)先運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，土壤10年末的溫度越高。在系統(tǒng)能耗方面，地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行的時(shí)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(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減少，地下土壤會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的冷熱負(fù)荷不平衡現(xiàn)象，熱量將在地下累積，地下土壤溫度逐年升高，地埋管進(jìn)出水溫度逐年上升，從而系統(tǒng)的能耗勢(shì)必逐年增加。地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行時(shí)間越短，空氣源熱泵能充分發(fā)揮其作用，使地埋管換熱器周?chē)耐寥罍囟然謴?fù)，降低地埋管進(jìn)出水溫度。因此，地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行的時(shí)間越短，系統(tǒng)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(yīng)使整個(gè)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)總能耗最低，土壤溫度維持恒定。運(yùn)行策略A1雖然系統(tǒng)年平均能耗最低，但是其對(duì)應(yīng)的10年末土壤溫度較土壤初始溫度的差值最大，這樣長(zhǎng)期運(yùn)行下去會(huì)導(dǎo)致冬季地埋管進(jìn)水溫度低于規(guī)范的4 ℃，圖5實(shí)際已反映了此現(xiàn)象。其原因?yàn)楫?dāng)空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)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(huì)逐年遞減，長(zhǎng)期運(yùn)行下去，地源熱泵機(jī)組在冬季將不能正常運(yùn)行。而對(duì)于運(yùn)行策略A3而言，盡管10年內(nèi)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(yōu)的系統(tǒng)控制策略，并以此策略作為切換時(shí)間該類(lèi)控制策略的代表，與其他兩類(lèi)運(yùn)行策略進(jìn)行綜合比較。

圖5 A1運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖6 A2運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖7 A3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖8 切換時(shí)間控制各運(yùn)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(yùn)行策略的具體切換溫度設(shè)置如表3所示。

表3 室外空氣干球溫度控制運(yùn)行策略細(xì)化表

圖9～圖11為夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)仿真模型計(jì)算出的B1、B2和B3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化。

圖9 B1運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖10 B2運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖11 B3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

從夏季地埋管進(jìn)出水溫度的角度來(lái)看，B3運(yùn)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(yùn)行策略比較表明，設(shè)定的室外空氣干球溫度越低，地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行的份額越高，地埋管的進(jìn)出水溫度就越高。

以室外空氣干球溫度為控制參數(shù)的各運(yùn)行策略對(duì)應(yīng)的年平均能耗和系統(tǒng)10年末土壤的溫度如圖12所示。3種運(yùn)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(yōu)先運(yùn)行的溫度設(shè)定值越低，土壤10年末的溫度越高。在系統(tǒng)能耗方面，地源熱泵優(yōu)先運(yùn)行的溫度設(shè)定值越高，地源熱泵使用份額越少，系統(tǒng)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(yùn)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(shù)的各運(yùn)行策略中，B2策略是三者中最優(yōu)的系統(tǒng)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(shè)置如表4。

圖13～圖15為夏熱冬冷地區(qū)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)仿真模型計(jì)算出的C1、C2和C3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化。

C3運(yùn)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(yùn)行策略比較表明，設(shè)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(yōu)先運(yùn)行的份額越大，地埋管的進(jìn)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(yùn)行策略細(xì)化表

圖13 C1運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖14 C2運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化

圖15 C3運(yùn)行策略下地埋管10年的進(jìn)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(shù)的各運(yùn)行策略對(duì)應(yīng)的年平均能耗和系統(tǒng)10年末土壤的溫度如圖16所示。3種運(yùn)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(yōu)先運(yùn)行的溫差設(shè)定值越低，土壤10年末的溫度越高。在系統(tǒng)能耗方面，策略C2地源熱泵使用份額最少，相應(yīng)的系統(tǒng)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%?？梢缘贸鲈谝允彝饪諝飧汕驕囟扰c地埋管出水溫度的差值為控制參數(shù)的各運(yùn)行策略中，C2策略是最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略。

圖16 溫差控制各運(yùn)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(duì)3種控制策略進(jìn)行研究后，得到了3種控制策略下的最佳運(yùn)行參數(shù)設(shè)定值，分別為A2（地源優(yōu)先 3h），B2（溫度控制 3 ℃），C2（溫差控制 5 ℃），這三種運(yùn)行策略對(duì)應(yīng)的年平均能耗和系統(tǒng)10年末土壤的溫度如圖17所示。

從地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性角度來(lái)看，C2（溫差控制 5 ℃）下的系統(tǒng)年平均耗電量最小，較B2（溫度控制33 ℃）而言，節(jié)約了12.9%的年平均能耗；較A2（地源優(yōu)先3h）而言節(jié)約了16.2%年平均能耗。因此，3種運(yùn)行策略的節(jié)能性從好到差依次排序?yàn)闇夭羁刂七\(yùn)行策略、溫度控制運(yùn)行策略和時(shí)間控制運(yùn)行策略。

從地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的可靠性角度來(lái)看，3種各類(lèi)最優(yōu)運(yùn)行策略A2（地源優(yōu)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(yùn)行策略下，10年內(nèi)土壤溫度恒定度維持得最好，最能確保長(zhǎng)期運(yùn)行下機(jī)組冬季能正常工作。因此，3種運(yùn)行策略的可靠性從好到差依次排序?yàn)闀r(shí)間控制運(yùn)行策略、溫度控制運(yùn)行策略和溫差控制運(yùn)行策略。

從地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的控制便捷性角度來(lái)看，控制輸入?yún)?shù)為2個(gè)溫度的溫差控制明顯難于其余兩類(lèi)控制運(yùn)行策略。另外，在實(shí)際運(yùn)行中以時(shí)間作為運(yùn)行切換指標(biāo)更為方便。因此，3種運(yùn)行策略的控制便捷性從好到差依次排序?yàn)闀r(shí)間控制運(yùn)行策略、溫度控制運(yùn)行策略和溫差控制運(yùn)行策略。

圖17 各類(lèi)最優(yōu)運(yùn)行策略年平均耗電量和10年末土壤溫度比較

5 結(jié)論

本文介紹了滿足夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖需求的新型地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)，即制熱時(shí)由地源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行制熱，供冷時(shí)則可以根據(jù)建筑冷負(fù)荷情況選擇使用地源熱泵和空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行或者兩者單獨(dú)運(yùn)行供冷。利用仿真模型，在采用不同的時(shí)間、溫度和溫差控制運(yùn)行策略下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1） 不同的時(shí)間、溫度和溫差控制運(yùn)行策略下，優(yōu)先運(yùn)行3 h、室外空氣干球溫度為33 ℃、溫差為5 ℃時(shí)的策略是最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略；

2） 對(duì)于目標(biāo)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)，若注重節(jié)能性，則溫差控制運(yùn)行策略最優(yōu)；若注重可靠性，則時(shí)間控制運(yùn)行策略最優(yōu)；若注重控制便捷性，則時(shí)間控制運(yùn)行策略最優(yōu)。

本文研究的三類(lèi)運(yùn)行策略只是較常見(jiàn)和可操作性比較強(qiáng)的運(yùn)行策略，在實(shí)際運(yùn)用中還有很多運(yùn)行方式；各類(lèi)運(yùn)行策略相互配合使用也會(huì)衍生出許多的運(yùn)行策略，產(chǎn)生良好的運(yùn)行效果，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究，以便供工程應(yīng)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(diào)系統(tǒng)集成與節(jié)能技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)，郵編200093。聯(lián)系電話：021-55273240。E-mail：cjbzh@vip.sina.com。