徐衛(wèi)榮 夏卓平 邱建中

土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略及優(yōu)化分析

徐衛(wèi)榮 夏卓平 邱建中

（江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京 210019）

針對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)供冷工況運(yùn)行控制策略多樣，系統(tǒng)能耗受策略影響較大，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行能耗較難達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行策略能耗進(jìn)行了分析。在溫差控制策略的基礎(chǔ)上，提出基于優(yōu)先采用低品位熱源的原理，對(duì)運(yùn)行控制策略進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：供冷工況系統(tǒng)運(yùn)行能耗較地埋管優(yōu)先、冷卻塔優(yōu)先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

土壤源熱泵；能耗；運(yùn)行策略；節(jié)能優(yōu)化；空調(diào)耗電量

0 引言

土壤源熱泵系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行能效比，是有效降低建筑能耗的建筑節(jié)能技術(shù)之一[1-3]。但地埋管運(yùn)行時(shí)土壤溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響較大，且地下土壤換熱及溫度恢復(fù)過(guò)程復(fù)雜[4,5]，土壤源熱泵系統(tǒng)在供冷工況下，地埋管及冷卻塔組合運(yùn)行方式多樣，導(dǎo)致部分工程實(shí)際運(yùn)行效果較差，運(yùn)行能耗偏高。因此有必要對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)供冷工況的運(yùn)行控制策略進(jìn)行分析，通過(guò)合理優(yōu)化地埋管及冷卻塔間隙運(yùn)行方案，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件無(wú)需做較大調(diào)整的前提下，進(jìn)一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗，從而為該系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供理論指導(dǎo)。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

1.1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理

土壤源熱泵系統(tǒng)以土壤為環(huán)境冷熱源，向用戶提供空調(diào)制冷或供熱功能[6]，該系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1中，通過(guò)V1～V10閥門(mén)狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)空調(diào)供熱時(shí)通過(guò)地埋管從土壤吸熱，空調(diào)制冷時(shí)通過(guò)地埋管或冷卻塔向環(huán)境放熱，系統(tǒng)另設(shè)置冷卻塔輔助散熱以實(shí)現(xiàn)土壤全年換熱平衡。

1—熱泵機(jī)組冷凝器；2—熱泵機(jī)組蒸發(fā)器；3—地埋管側(cè)循環(huán)泵；4—冷卻塔側(cè)循環(huán)泵；5—用戶側(cè)循環(huán)泵；6—地埋管換熱器；7—分水器；8—集水器；9—閉式冷卻塔

1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選定采用土壤源熱泵系統(tǒng)的某綜合樓進(jìn)行分析，其空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為3494kW，熱負(fù)荷為1777kW，另有穩(wěn)定的熱水需求負(fù)荷為498kW。設(shè)計(jì)地埋管深度=100m，共850口井。選用2臺(tái)額定工況制冷量為1280kW，制熱量為1410kW的地源熱泵機(jī)組，和1臺(tái)額定工況制冷量為1280kW的單冷冷水機(jī)組，另選用1臺(tái)額定流量為280m3/h的閉式冷卻塔進(jìn)行輔助散熱。冷卻塔與地埋管并聯(lián)管路上的閥門(mén)為電動(dòng)二通閥，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為工作日7～18時(shí)[7]。

建立土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型[8-13]，并根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性[8-9,14]，通過(guò)該模型對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行策略能耗進(jìn)行分析，以下分析均以土壤全年換熱平衡為前提[15]。

2 常規(guī)運(yùn)行策略能耗分析

本工程土壤源熱泵系統(tǒng)空調(diào)供熱工況從土壤吸熱量小于空調(diào)制冷工況向土壤的排熱量，夏季需開(kāi)啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱，因此運(yùn)行控制策略能耗分析針對(duì)夏季地埋管和冷卻塔復(fù)合運(yùn)行方式。常規(guī)復(fù)合運(yùn)行策略有地埋管優(yōu)先運(yùn)行、冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行、熱泵機(jī)組冷卻進(jìn)水溫度與環(huán)境濕球溫度溫差控制運(yùn)行[16]。

2.1 地埋管優(yōu)先運(yùn)行

在空調(diào)供冷季優(yōu)先運(yùn)行地埋管放熱，為保證土壤換熱平衡，后期開(kāi)啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱。

地埋管優(yōu)先運(yùn)行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖2所示。

圖2 地埋管優(yōu)先運(yùn)行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計(jì)能耗曲線

圖2表明，地埋管優(yōu)先運(yùn)行策略下，因地埋管連續(xù)運(yùn)行，在空調(diào)供冷季運(yùn)行初期土壤溫度較高，隨著后期運(yùn)行冷卻塔系統(tǒng)進(jìn)行輔助散熱，以及供冷季末期空調(diào)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度逐漸降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運(yùn)行能耗為13.89kWh/m2。

2.2 冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行

在空調(diào)供冷季優(yōu)先運(yùn)行冷卻塔進(jìn)行平衡散熱，后期開(kāi)啟地埋管系統(tǒng)向土壤放熱。

冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖3所示。

圖3 冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計(jì)能耗曲線

圖3表明，冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行策略下，因冷卻塔提前開(kāi)啟進(jìn)行輔助散熱，在空調(diào)供冷季運(yùn)行初期土壤溫度較低，隨著后期地埋管系統(tǒng)投入連續(xù)運(yùn)行，土壤溫度逐漸升高，同時(shí)由于供冷季末期空調(diào)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運(yùn)行能耗為14.01kWh/m2。

2.3 溫差控制

溫差控制通過(guò)熱泵機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度與當(dāng)?shù)貪袂驕囟鹊牟钪祵?shí)現(xiàn)運(yùn)行控制。當(dāng)冷卻進(jìn)水溫度與周圍空氣濕球溫度的溫差大于某一數(shù)值時(shí)，開(kāi)啟冷卻塔進(jìn)行輔助散熱，否則關(guān)閉冷卻塔。

溫差控制運(yùn)行策略下，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖4所示。

圖4 溫差控制運(yùn)行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計(jì)能耗曲線

圖4表明，溫差控制運(yùn)行策略下，冷卻塔和地埋管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間隙運(yùn)行，土壤溫度在空調(diào)供冷季運(yùn)行初期較低，隨著系統(tǒng)空調(diào)冷負(fù)荷的增大及環(huán)境濕球溫度的提高，地埋管系統(tǒng)投入連續(xù)運(yùn)行，土壤溫度逐漸升高，同時(shí)供冷季末期空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的減小，土壤溫度再次降低。該策略下，空調(diào)供冷工況運(yùn)行能耗為13.46kWh/m2。

3 節(jié)能運(yùn)行控制策略優(yōu)化

由常規(guī)運(yùn)行策略能耗分析可知，土壤源熱泵系統(tǒng)夏季地埋管和冷卻塔復(fù)合運(yùn)行方式，不同的運(yùn)行控制策略產(chǎn)生的運(yùn)行能耗結(jié)果相差較大，因此有必要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略進(jìn)行優(yōu)化，從而在不改熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)容量的前提下，進(jìn)一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

3.1 節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化原理

空調(diào)供冷季內(nèi)，優(yōu)先采用低品位熱源。在環(huán)境濕球溫度較低時(shí)，優(yōu)先開(kāi)啟冷卻塔輔助散熱，減少土壤熱量存儲(chǔ)，使土壤溫度保持于低位狀態(tài)，在環(huán)境濕球溫度較高的時(shí)段優(yōu)先開(kāi)啟地埋管系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合溫差控制，使熱泵機(jī)組冷卻水溫度處于較低狀態(tài)，從而提高機(jī)組制冷性能系數(shù)。

3.2 節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化條件及流程

節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化需交替運(yùn)行地埋管及冷卻塔系統(tǒng)，為避免冷卻塔系統(tǒng)循環(huán)水污染地埋管系統(tǒng)，保證地埋管系統(tǒng)水質(zhì)，設(shè)計(jì)需選用閉式冷卻塔，同時(shí)冷卻塔水系統(tǒng)管路同地埋管系統(tǒng)并聯(lián)，通過(guò)電動(dòng)二通閥門(mén)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)切換。土壤源熱泵系統(tǒng)控制策略優(yōu)化運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化流程圖

圖中為運(yùn)行時(shí)刻，h；s為室外空氣濕球溫度，℃；c為冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行控制溫度，℃；LQ2為冷卻水平均溫度，℃；WC為控制冷卻塔運(yùn)行的濕球溫差，℃。

4 優(yōu)化運(yùn)行能耗分析

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行能耗

控制策略節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化后，土壤日平均溫度GC及系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行能耗ΣC隨空調(diào)季日期變化曲線如圖6所示。

圖6表明，節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行后，因冷卻塔系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間隙運(yùn)行，土壤溫度保持在穩(wěn)定的低位區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，且土壤最高溫度低于常規(guī)運(yùn)行控制策略，日累計(jì)運(yùn)行能耗ΣC增幅較緩。節(jié)能優(yōu)化策略下，空調(diào)供冷工況運(yùn)行能耗為13.35kWh/m2。

圖6 優(yōu)化運(yùn)行策略下土壤溫度及系統(tǒng)累計(jì)能耗曲線

4.2 運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化效果

不同運(yùn)行控制策略下土壤最高日平均溫度分析如表1所示。

表1 不同運(yùn)行策略下土壤最高日平均溫度分布表

注：max1、max2、max3、max4、max5為土壤最高日平均溫度前5個(gè)值

表1表明，運(yùn)行策略優(yōu)化后土壤最高溫度低于地埋管優(yōu)先運(yùn)行、冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行及溫差控制運(yùn)行策略。不同運(yùn)行控制策略下能耗分析如圖7。

圖7 不同運(yùn)行策略下能耗結(jié)果

節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化后，系統(tǒng)運(yùn)行能耗較地埋管優(yōu)先策略下降低3.89%，較冷卻塔優(yōu)先策略下降低4.71%，較溫差控制策略下降低0.82%。

5 結(jié)論

根據(jù)建立的土壤源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選定某綜合樓對(duì)該系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行控制策略進(jìn)行分析，地埋管優(yōu)先運(yùn)行、冷卻塔優(yōu)先運(yùn)行、溫差控制策略下，空調(diào)供冷工況運(yùn)行能耗分別為13.89kWh/m2、14.01kWh/m2、13.46kWh/m2。針對(duì)不同的運(yùn)行控制策略產(chǎn)生的運(yùn)行能耗結(jié)果相差較大的問(wèn)題，基于優(yōu)先采用低品位熱源的原理，對(duì)運(yùn)行控制策略進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。優(yōu)化后，系統(tǒng)供冷工況運(yùn)行能耗較地埋管優(yōu)先、冷卻塔優(yōu)先、溫差控制策略下分別降低3.89%、4.71%、0.82%。

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Operation Strategy and Optimization Analysis of Ground Source Heat Pump System

Xu Weirong Xia Zhuoping Qiu Jianzhong

( Jiangsu Provincial architectural D&R Institute Ltd, Nanjing, 210019 )

According to multiple control strategy influencing energy consumption on cooling mode and inaccessibility to the design target in ground source heat pump system operating, conventional operation energy consumption of the system is analyzed.On the premise of temperature difference control, operation strategy is optimized based on the principle of low-grade heat source used in preference. The results show that cooling operation energy consumption decreased respectively 3.89%, 4.71%, 0.82% compared with buried pipe priorityoperation, cooling tower priorityoperation, temperature difference controloperation.

ground source heat pump; energy consumption; operation strategy; energy saving optimizing; air conditioning power consumption

1671-6612（2020）06-703-04

TK529

A

徐衛(wèi)榮（1983.7-），男，碩士，高級(jí)工程師，E-mail：xuweirong001@163.com

2020-03-27