鞠恒金, 李祥立, 常 暢, 張寶龍

(大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧大連116024)

1 概述

地源熱泵作為一種高效、低成本的清潔能源技術(shù),在建筑供能領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,其中水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于其占地面積較大,在傳統(tǒng)建筑中應(yīng)用較少[1-2]。然而,隨著超低能耗建筑及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,新建建筑的用能負(fù)荷,尤其是供暖和供冷負(fù)荷呈明顯下降趨勢(shì),所需水平地埋管的長(zhǎng)度和占地面積也隨之下降,這為水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)在建筑供能領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了廣闊的前景[3-8]。

由于水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在普通建筑中往往需要聯(lián)合輔助熱源或冷源(例如太陽(yáng)能和冷卻塔等),使得水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化研究變得高度非線性,需要考慮更多的約束[9-10]。仝倉(cāng)等人[11]研究分析了水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性和適應(yīng)性,結(jié)果表明,對(duì)于超低能耗建筑,水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。Sanaye等人[12]利用遺傳算法對(duì)水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),選取管長(zhǎng)、深度、管排層數(shù)等9個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量,設(shè)計(jì)出一套經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)。Rezaei等人[13]利用遺傳算法對(duì)水平地埋管換熱器的回填材料物性參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并指出地表鋪設(shè)保溫層有利于提高水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)效率。

以上研究均是針對(duì)水平地埋管換熱器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并沒(méi)有結(jié)合實(shí)際用戶負(fù)荷需求對(duì)水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。本文以某超低能耗居住建筑為例,利用TRNSYS軟件搭建水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)仿真模型,結(jié)合實(shí)際用戶負(fù)荷需求,以系統(tǒng)費(fèi)用年值最低為目標(biāo)函數(shù),選取熱泵機(jī)組供水溫度為優(yōu)化變量,采用Hooke-Jeeves算法對(duì)水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 建筑概況

以大連某棟超低能耗居住建筑為例,該建筑為2層,南北朝向,體形系數(shù)為0.25 m-1,建筑面積為270 m2,空調(diào)面積為242 m2。建筑應(yīng)用了高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu),外窗采用鋁合金窗框+3層Low-E玻璃,太陽(yáng)得熱系數(shù)為0.45。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)見(jiàn)表1,均符合GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

利用TRNSYS軟件建立居住建筑負(fù)荷模型,選擇典型年氣象數(shù)據(jù),對(duì)全年8 760 h建筑負(fù)荷進(jìn)行模擬。室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)參照GB/T 51350—2019、JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》確定:供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃,空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃。人體發(fā)熱量、設(shè)備熱功率密度、照明裝置熱功率密度、人員在室率、設(shè)備使用率、照明裝置開(kāi)啟率參照DB 13(J)/T 273—2018《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》確定。

供暖期為11月5日至次年4月5日,供冷期間為6月1日至8月31日。由TRNSYS軟件模擬得到的建筑全年逐時(shí)負(fù)荷見(jiàn)圖1。由模擬結(jié)果可知:建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷為1 497.98 kW·h,最大冷負(fù)荷為6.97 kW。全年累計(jì)熱負(fù)荷為4 411.66 kW·h,最大熱負(fù)荷為7.68 kW。

圖1 建筑全年逐時(shí)負(fù)荷

2.2 地源熱泵系統(tǒng)與運(yùn)行策略

水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱地源熱泵系統(tǒng))流程見(jiàn)圖2。地源熱泵系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、水平地埋管換熱器、水箱、水泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、地面輻射供暖系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。供暖期,采用地面輻射供暖系統(tǒng)為用戶供暖。供冷期,采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管為用戶供冷。

P1—地源側(cè)水泵; P2—熱泵機(jī)組-水箱水泵; P3—負(fù)荷側(cè)水泵。

為避免地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致能源浪費(fèi),同時(shí)兼顧室內(nèi)環(huán)境熱舒適性,根據(jù)供暖期、供冷期和室內(nèi)溫度對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行間歇啟?？刂芠14]。在供暖期:當(dāng)室內(nèi)溫度低于19 ℃時(shí),開(kāi)啟熱泵機(jī)組,水泵P1、P2、P3開(kāi)啟。當(dāng)室內(nèi)溫度高于21 ℃時(shí),關(guān)閉熱泵機(jī)組,水泵P1、P2、P3關(guān)閉。在供冷期:當(dāng)室內(nèi)溫度高于27 ℃時(shí),開(kāi)啟熱泵機(jī)組,水泵P1、P2、P3開(kāi)啟,風(fēng)機(jī)盤(pán)管開(kāi)啟。當(dāng)室內(nèi)溫度低于25 ℃時(shí),關(guān)閉熱泵機(jī)組,水泵P1、P2、P3關(guān)閉,風(fēng)機(jī)盤(pán)管關(guān)閉。

2.3 主要設(shè)備選型

根據(jù)負(fù)荷模擬結(jié)果,建筑最大冷負(fù)荷為6.97 kW,最大熱負(fù)荷為7.68 kW。因此,熱泵機(jī)組選取額定制冷量為8.54 kW,額定制熱量為9.87 kW,額定制冷性能系數(shù)為5.6,額定制熱性能系數(shù)為4.8。水平地埋管換熱器根據(jù)文獻(xiàn)[15]進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為360 m,管內(nèi)徑為25 mm,管橫向間距為0.5 m。由于水平地埋管換熱器占地面積較大,將其設(shè)置為雙層,層間距為0.5 m。為確保水平地埋管換熱器安全運(yùn)行,上層水平地埋管換熱器管中心埋深為2.0 m,距大連地區(qū)凍土層1.1 m[11]。地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備額定參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備額定參數(shù)

3 地源熱泵系統(tǒng)仿真模型

本文以TRNSYS 17為平臺(tái)建立地源熱泵系統(tǒng)仿真模型。主要部件模型:熱泵機(jī)組模型Type927、水平地埋管換熱器模型Type997、風(fēng)機(jī)盤(pán)管模型Type508c、水泵模型Type114、水箱模型Type4c、建筑模型Type56等。使用諧波土壤未擾動(dòng)溫度模型對(duì)水平地埋管換熱器模型的初始條件和邊界條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化[11]。根據(jù)各部件之間邏輯控制關(guān)系組建地源熱泵系統(tǒng)仿真模型,見(jiàn)圖3。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)仿真模型(軟件截圖)

4 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化方法

選用Hooke-Jeeves算法對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。Hooke-Jeeves算法與牛頓法、共軛梯度法、拉格朗日乘值法等方法相比,計(jì)算效率高、適定性強(qiáng),對(duì)于變量不多的問(wèn)題,可以有較好的效果[16-19]。

在仿真模型基礎(chǔ)上對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)TRNSYS軟件的TRNOPT模塊,將GENOPT軟件與仿真模型連接。利用GENOPT軟件調(diào)用Hooke-Jeeves算法,對(duì)地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[20-21]。GENOPT軟件是一種用于優(yōu)化最小化成本函數(shù)的程序,可調(diào)用TRNSYS軟件生成的BUI文件和DCK文件并產(chǎn)生輸出文件,基于TRNSYS模擬程序產(chǎn)生新的目標(biāo)函數(shù)值,并判斷是否最優(yōu),直至尋找到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值[22-23]。

4.2 優(yōu)化目標(biāo)與約束條件

將地源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值作為目標(biāo)函數(shù),地源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值F的計(jì)算式為:

(1)

式中F——地源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值,元/a

i——基準(zhǔn)折現(xiàn)利率,本文取0.07

n——系統(tǒng)使用年限,a,本文取15 a

Z0——系統(tǒng)造價(jià),元

Zk——系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi),元/a

Zw——系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi),元/a

式(1)中,系統(tǒng)造價(jià)包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)及安裝費(fèi),為5.44×104元。系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)指地源熱泵系統(tǒng)年電費(fèi),系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)取系統(tǒng)造價(jià)的0.8%。電價(jià)按0.56 元/(kW·h)測(cè)算。

約束條件為:供冷期:水平地埋管換熱器進(jìn)水溫度高于出水溫度,用戶供水溫度低于回水溫度,室內(nèi)溫度不超過(guò)27 ℃。供暖期:水平地埋管換熱器出水溫度高于進(jìn)水溫度,用戶供水溫度高于回水溫度,室內(nèi)溫度不低于19 ℃[24]。

4.3 優(yōu)化變量

優(yōu)化前,地源熱泵系統(tǒng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式,根據(jù)室外溫度,改變熱泵機(jī)組供水溫度。TRNSYS軟件模擬運(yùn)行步長(zhǎng)為0.125 h,模擬時(shí)間為8 760 h。優(yōu)化前地源熱泵系統(tǒng)各設(shè)備年耗電量見(jiàn)表3。由表3可知,熱泵機(jī)組年耗電量為2 523.73 kW·h/a,占地源熱泵系統(tǒng)總年耗電量的82.99%,具有較大的優(yōu)化潛力。因此,選取熱泵機(jī)組供水溫度作為優(yōu)化變量。供暖期,熱泵機(jī)組初始供水溫度為40 ℃。供冷期,熱泵機(jī)組初始供水溫度為10 ℃。

表3 優(yōu)化前地源熱泵系統(tǒng)各設(shè)備年耗電量

4.4 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)估優(yōu)化前后地源熱泵系統(tǒng)性能,引入制冷季節(jié)能源消耗效率ηSEER、制熱季節(jié)能源消耗效率ηHSPF、全年能源消耗效率ηAPF作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[25-26]。制冷季節(jié)能源消耗效率ηSEER、制熱季節(jié)能源消耗效率ηHSPF、全年能源消耗效率ηAPF的計(jì)算式分別為:

(2)

(3)

(4)

式中ηSEER——制冷季節(jié)能源消耗效率

Qc——供冷期熱泵機(jī)組供冷量,kW·h

Ec1、Ec2、Ec3——供冷期熱泵機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管耗電量,kW·h

ηHSPF——制熱季節(jié)能源消耗效率

Qh——供暖期熱泵機(jī)組供熱量,kW·h

Eh1、Eh2——供暖期熱泵機(jī)組、水泵耗電量,kW·h

ηAPF——全年能源消耗效率

5 優(yōu)化結(jié)果及分析

優(yōu)化結(jié)果表明:供暖期,熱泵機(jī)組供水溫度最佳范圍為30.1～40.4 ℃。供冷期,熱泵機(jī)組供水溫度最佳范圍為8.9～14.9 ℃。

優(yōu)化后,制冷季節(jié)能源消耗效率為4.92,比優(yōu)化前提高5.8%。制熱季節(jié)能源消耗效率為3.99,比優(yōu)化前提高9.3%。全年能源消耗效率為4.52,比優(yōu)化前提高7.9%。

優(yōu)化后,地源熱泵系統(tǒng)年耗電量為2 746.89 kW·h/a,比優(yōu)化前節(jié)省294.03 kW·h/a,節(jié)電9.7%,系統(tǒng)費(fèi)用年值降低2.8%。在保證室內(nèi)溫度合理的前提下,供暖期熱泵機(jī)組平均供水溫度降低5.13 ℃,供冷期熱泵機(jī)組平均供水溫度提高3.05 ℃。

6 結(jié)論

① 優(yōu)化結(jié)果表明:供暖期,熱泵機(jī)組供水溫度最佳范圍為30.1～40.4 ℃。供冷期,熱泵機(jī)組供水溫度最佳范圍為8.9～14.9 ℃。

② 優(yōu)化后,熱泵系統(tǒng)制冷季節(jié)能源消耗效率、制熱季節(jié)能源消耗效率、全年能源消耗效率均比優(yōu)化前有所提高。

③ 優(yōu)化后,地源熱泵系統(tǒng)比優(yōu)化前節(jié)電9.7%,費(fèi)用年值降低2.8%。在保證室內(nèi)溫度合理的前提下,供暖期熱泵機(jī)組平均供水溫度降低5.13 ℃,供冷期熱泵機(jī)組平均供水溫度提高3.05 ℃。