基于运行策略的某复合式地源热泵系统运行优化分析

武佳琛 张 旭 周 翔 刘海霞

(同济大学机械与能源工程学院 上海 201804)

地源热泵技术近些年在我国取得了较快的发展，特别是土壤源热泵得到了广泛的应用，它具有较高的一次能源利用率和系统能效，节能效益和环保效益显著［1］。

对于大型公共建筑，在冬夏负荷不平衡的地区，常采用复合式地源热泵作为其空调系统的冷热源，相比于常规的地源热泵系统，

这种系统形式不仅减少了地埋管数量，降低了初投资，还有效地解决了土壤热平衡问题，有利于提高系统的可靠性，降低系统的运行费用，具有较好的经济技术优势［2］。

对于一个复合式地源热泵系统，运行策略对其实际运行效果起着非常重要的作用，对于同一个复合式地源热泵系统，采取不同的运行策略，经济性会产生显著的差异，运行策略制定的不得当，甚至会给系统的可靠性带来风险［3］。

目前国内外对复合式地源热泵系统运行控制策略的研究主要集中在冷却塔与地埋管复合的形式上，其控制冷却塔开启的策略主要有三类:1)设定温度控制:当进入或流出地热换热器的水温超过设定温度时开启辅助散热装置;2)温差控制:当进入热泵的水温与周围空气干球或湿球温度的差值超过设定值时开启辅助散热装置;3)开启时间控制:在特定的时间段内(如夜间)开启辅助散热装置排出土壤中的热量。而针对于并联冷水机组+冷却塔形式的复合式地源热泵系统的研究还较少，这方面有长时间实测数据的研究也比较匮乏［4－10］。而在我国，已经有相当数量的大型公共建筑的空调系统采用了这种形式，由此在实测数据的基础上，结合仿真模拟，对并联冷水机组+冷却塔的复合式地源热泵系统的运行策略进行分析探讨，寻求其优化途径是必要的。

1 系统介绍

华东地区某大型客站，站房主体总面积221903 m2，建筑全年负荷分布如下图1所示，其中夏季最大冷负荷18.53 MW，冬季最大热负荷6.58 MW。

图1 某大型客站全年负荷分布图Fig．1 Annual cold/heat load

该建筑的空调冷热源形式为复合地源热泵系统，由地埋管地源热泵子系统和水冷冷水机组+冷却塔子系统构成，冬季热负荷全部由地源热泵子系统承担，夏季由冷水机组子系统和地源热泵子系统联合供冷。地源热泵机组共三台，两用一备;离心冷水机组共四台，三用一备。机组的制冷制热能力如下表1所示:

表1机组制冷制热能力对应表Tab．1 Cooling and heating capacity of unit

2 实际运行分析

2.1 系统运行数据的采集与计算

该建筑空调系统的运营方搭建了整个空调系统的运行数据采集系统，对整个空调系统的运行数据进行采集存储并实时监控，各机组进出水的温度和流量是其监测的重要对象。下图2为其运行监测系统的截图。

图2某大型客站复合式地源热泵系统运行监测界面Fig．2 The monitoring interface of the system

通过测得的各机组进出水的温度和流量，在夏季制冷工况下，可计算出地源热泵机组和冷水机组的实际制冷量和其在冷凝器侧(地源侧或冷却塔侧)的实际放热量。再由能量守恒，可获得机组的实际性能系数COP。

2.2 运行结果及分析

对该大型客站的复合式地源热泵系统在2012年夏季制冷工况的主要实际运行数据进行整理分析，探讨复合式地源热泵系统运行变化对地埋管换热特性和机组性能的影响。数据分析点从2012年6月13日至8月23日。将这期间的机组主要开启情况换算成其对应的制冷容量如下图3所示。

图3 复合式地源热泵系统机组开启情况Fig．3 Actual cooling capacity of the unit under the operation strategy

由图3，该系统夏季的运行策略为以地源热泵为基载，冷水机组承担剩余冷量，当冷水机组和地源热泵共同承担负荷的时刻，一般至少有一台地源热泵机组开启。

根据系统运行状态的差异，将其实际运行划分为三个阶段进行分析研究。

系统运行的第一阶段从2012年6月13日至2012年6月29日:由于刚进入制冷季，这一阶段的建筑负荷并不大，并均由地源热泵机组承担，冷水机组尚未开启。

下图4是第一阶段的地埋管进出水温度及热泵机组承担负荷的变化图。

图4第一阶段的地埋管进出水温度变化图Fig．4 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the first stage

图4～图7中的水温变化曲线的断开部分表示热泵机组的短时间停机，由图4可以得出以下结论:

1)地源热泵机组承担的负荷在一定水平上时，地埋管的进出水温度在每一个连续运行工况都基本呈上升趋势;开始阶段的上升速率较快，运行一段时间后会基本保持在一个相对稳定的水平，负荷强度越高，达到稳定的时间越长，其对应的地埋管进出水温度也越高;这一阶段地埋管换热器的换热平均温差为5.04℃。

2)地埋管水进出水温度在连续运行工况下会出现下降，其原因在于地源热泵机组承担负荷的大幅度下降，当地源热泵机组冷凝器侧释热量的强度弱于土壤本身的热扩散能力时，土壤温度恢复，地埋管进出水温度就会下降。

3)系统运行的每一个间歇，都会使下一个运行周期起始的地埋管进出水温度有一个明显的下降，这表明间歇运行对地埋管周围土壤温度的恢复具有明显的效果。

系统运行的第二阶段从2012年6月29日到2012年7月14日:这一阶段冷水机组开始与地源热泵机组联合运行，由于建筑负荷的增大，两台地源热泵机组同时运行的份额较上一阶段明显提升，在这一阶段，地源热泵机组停机间歇的次数较多。

下图5是第二阶段的地埋管进出水温度及热泵机组承担负荷的变化图。

图5第二阶段的地埋管进出水温度变化图Fig．5 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the second stage

由图5:在这一阶段的每一连续运行工况，地埋管进出水温度的相对稳定值较上一阶段有显著的提升;地埋管进出水温差的均值为4.47℃，较上一阶段下降0.57℃，地埋管换热量减小，这表明相对于地埋水温度的上升，地埋管周围土壤温度的上升幅度更大;但在更高的负荷强度下，每一个间歇运行所带来的土壤温度恢复效果依然是十分明显。

系统运行的第三阶段从2012年7月15日到2012年8月22日:这一阶段是夏季最热的时期，建筑冷负荷较大，系统基本保持了两台热泵机组和冷水机组的联合运行，地源热泵机组停机间歇的次数较少。

下图6是第三阶段的地埋管进出水温度及热泵机组承担负荷的变化图。

图6第三阶段的地埋管进出水温度变化图Fig．6 Water temperature variation of inlet and outlet of the buried pipe in the third stage

由图6:从7月15日到8月5日，地源热泵机组有超过20天的连续运行工况，其间地源热泵机组的负荷始终保持在一个较高的水平，地埋管的进出水也较长时间处于一个温度很高的状态。这一阶段地埋管进出水温差的均值为3.89℃，地埋管周围土壤温度的进一步升高;在8月11日～8月14日地源热泵机组仅开启一台的情况下，地埋管的进出水温度明显下降了一个档次，基本保持在34℃和31℃，待14日恢复到开启两台地源热泵机组时，地埋管进出水温度迅速恢复到了一个较高的水平，这再一次表明地埋管的进出水温度变化和机组承担的负荷有十分密切的关系。

3 运行策略优化方案分析

并联冷水机组+冷却塔的复合式地源热泵的两个子系统仅是共用末端水系统，在夏季制冷工况下，可以互不干扰的为建筑提供冷源，其运行控制相比于传统的复合式地源热泵系统形式更为灵活，除了地源热泵机组单独供冷和地源热泵机组+冷水机组联合供冷的运行模式外，完全有条件将热泵机组关闭，实现冷水机组的单独供冷。

由上节分析可知，系统的实际运行策略是以地源热泵优先开启的方式进行制冷运行。该运行策略的优势在于保证了地源热泵系统夏季对土壤的释热量，有利于系统在冬季的制热工况;但该运行策略会使地源热泵系统连续运行，不利于土壤温度恢复，特别在夏季负荷较大的时段，过高的释热强度可导致地埋管出水温度过高和地源热泵机组效能下降。下图7是上述第三阶段3#热泵机组和2#冷水机组的COP变化图。

图7第三阶段的3#热泵机组和2#冷水机组COP变化图Fig．7 COP variation of 3#heat pump unit and 2#chiller unit in the third stage

由图7可知:连续运行使地埋管换热器周围土壤温度不断上升，地埋管的出水温度保持在一个比较高的水平，降低了热泵机组能效，热泵机组的COP平均值仅为4.4，而同时开启的冷水机组的COP平均值为6.6，在这样的状态下，地源热泵很可能已不具备夏季节能的优势了。

解决这一问题的方法就在于降低地源热泵系统的运行份额，对应的运行策略优化途径主要有二:一是夏季制冷以冷水机组优先运行，在负荷不大的时段内由冷水机组子系统承担系统的冷负荷;二是仍在地源热泵为优先运行的策略下，只在某些时段，特别是室外气温较低建筑负荷较小的夜晚，让地源热泵机组停机休息，以冷水机组+冷却塔的子系统承担系统负荷。这样可以充分利用这一时段冷却塔较优的换热特性，也会使地埋管换热器周围的土壤温度恢复，改善下一阶段的土壤换热。

综上所述，对该复合式地源热泵系统主要有以下三种运行策略:1)夏季以冷水机组优先制冷，地源热泵机组进行调峰;2)夏季以地源热泵机组优先制冷，并且地源热泵机组连续运行;3)夏季每日高负荷时段(6点－次日0点)以地源热泵机组优先制冷，但在子夜0点到清晨6点，让地源热泵机组停机6 h，期间由冷水机组单独供冷。

评价复合式地源热泵系统运行策略的优劣并不完全在于某一时刻系统能效的最优，地源热泵多年与土壤换热的稳定特性是更基本的要素。每一种运行策略都应首先有利于实现系统对土壤吸放热量的基本平衡，使多年后的地埋管出水温度不会恶化(过高或过低都会增加地源热泵机组停机风险)，保证系统的长期可靠运行。所以判断上述三种策略哪一种对于该系统较优，需要对系统多年的地埋管换热特性进行分析计算，而在这方面，系统的模拟仿真是较实测更为有效的研究手段。

4 基于运行策略优化的复合式地源热泵系统仿真模拟

上节介绍的是运行策略1、2、3下的系统运行，下文将分别对对应工况A，B，C进行分析。

4.1 复合式地源热泵系统仿真模型的搭建

目前常用于暖通空调系统能量特性和控制特性模拟的仿真软件主要有:HVACSIM+，TRNSYS等。该类软件以整个系统中各部件为单元，按照各部件的压力、流动方程及质量能量平衡等进行计算，因此适用于系统的整体分析和运行控制设计。以TRNSYS软件作为模拟平台，建立地源热泵系统的仿真模型，如下图8所示。

将建筑的全年冷负荷按照不同的运行策略根据流量进行分配，冬季热负荷全部由地源热泵机组承担，将地源热泵子系统所承担的全年负荷，传输给简化的空调末端进行计算，热泵机组的参数按照实际样本设置，地埋管换热器和水泵的参数依照工程实际设置。系统模拟步长1 h，计算时间87600 h(10年)，并设定系统以夏季制冷工况先开始运行。下表2是系统仿真模型地埋管换热器模块的基本参数设置情况。

图8地源热泵系统仿真模型示意图Fig．8 Schematic diagram of simulation model

4.2 系统仿真模型验证

以机组实际承担的负荷作为系统模型的负荷输入，将2012年6月22日8:00—2012年6月26日8:00四天的模拟和实际运行结果进行比对，对该系统仿真模型进行验证，结果如下图9所示。

表2地埋管换热器模块的基本参数设置Tab．2 Parameters of the ground heat exchanger module

图9系统模型的实测验证Fig．9 Validation of the system model

图9的结果显示，地埋管进出水温度的模拟值和实测结果基本吻合，地埋管进水温度最大误差为4.30%，地埋管出水温度最大误差4.07%，均小于5%，说明了该系统仿真模型的可靠性。

4.3 模拟运行结果

图10～图12分别对应工况A，B，C 10年的地埋管进出水温度和土壤温度变化，反映了其10年的地埋管换热特性。

图10工况A运行10年地埋管进出水温度和土壤温度变化Fig．10 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case A

图11工况B运行10年地埋管进出水温度和土壤温度变化Fig．11 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case B

图12工况C运行10年地埋管进出水温度和土壤温度变化Fig．12 Heat transfer characteristics of ground heat exchanger for 10 years on Case C

表3三种工况运行10年结果对比Tab．3 Comparison of simulation results on the three cases

4.4 结果分析与讨论

工况A对应的运行策略为:夏季以冷水机组优先制冷，地源热泵机组进行调峰。由图10和表3的模拟结果，在这一运行策略下，地源热泵系统夏季运行工况最优，但对土壤的释热量不足，同时期土壤温度和地埋管进出水温度呈现连年下降趋势，10年土壤温度下降4.25℃，在冬季制热工况下，地埋管的出水温度下降较快，机组制热平均COP最低。

工况B对应的运行策略为:夏季以地源热泵机组优先制冷，并且地源热泵机组连续运行。由图11和表3的模拟结果，在这一运行策略下，地源热泵系统表现出夏季释热量过剩，制冷季后期的运行工况较差，地埋管的出水温度都保持在较高水平，机组制冷平均COP最低，同时期土壤温度和地埋管进出水温度呈现连年上升趋势，10年土壤温度上升6.80℃，但充足的土壤夏季蓄热也使该运行策略下冬季制热工况运行风险最小。

工况C对应的运行策略为:夏季高负荷时段以地源热泵机组优先制冷，但在冷负荷较低的子夜0点到清晨6点，地源热泵机组停机6 h，期间由冷水机组单独供冷。由图12和表3的模拟结果，在这一运行策略下，地源热泵系统土壤热平衡状况较好，同时期10年的土壤温度变化不足1℃，并且单个制冷季内土壤温度和地埋管出水温度变化较为平缓，较工况B有明显的降低，其冬季制热工况机组的平均COP值介于工况A和工况B之间。

综合以上的分析，从系统多年稳定运行的角度考虑，工况C对应的运行策略3是对该系统较优的运行策略:以冷水机组优先制冷的运行策略1，使系统在冬季稳定运行的可靠性降低，再加上大型公共建筑冬季有相当数量的无组织通风，可能会加剧这一变化;以地源热泵机组优先制冷并连续运行的运行策略2，会使制冷季末期的运行工况恶化，多年之后更为明显，同时夏季地源热泵的过度运行降低了地源热泵在夏季的能效，对于以冷负荷为主导的地区而言，这是不利于系统节能的;而在地源热泵机组优先制冷并夜间间歇的运行策略3下，地源热泵间歇运行保证了地埋管短期较好的换热特性，而适度的地源热泵运行份额使地埋管周围土壤多年的温度变化较小，地埋管长期的换热特性也较为稳定，地埋管出水温度恶化、系统失效的风险最小。

5 结论

通过实测和模拟的手段，基于运行策略对复合冷水机组的某地源热泵系统地埋管的换热特性以及机组性能进行了分析研究，主要结论如下:

1)在制冷季地源热泵基本连续运行的策略下，地源热泵地埋管的进出水温度保持整体的上升趋势，运行后期出水温度超过34℃，换热温差逐渐减小，由初期的5.04℃降低到3.89℃，土壤温升明显。

2)地埋管进水温度变化和地源热泵机组承担的负荷有十分密切的关系，短期的降低地源热泵负荷或是机组停机间歇有利于地温恢复，改善下一运行阶段的土壤换热。

3)复合式地源热泵系统仿真模拟结果表明，对于该复合式地源热泵系统，在夏季以冷水机组优先或地源热泵机组优先运行的策略下，土壤多年温度变化较大，不利于系统多年稳定的运行;而夏季高负荷时段以地源热泵机组优先制冷，在冷负荷较低的夜间时段地源热泵机组停机间歇的运行方案是较优的策略，该运行策略下10年后土壤温度的变化不足1℃，这对相同气候区相似建筑的同类型系统具有重要借鉴意义。

本文受华东地区大型客站地源热泵空调系统应用技术研究(2011090)项目资助。(The project was supported by the Research on Ground Source Heat Pump System of Large Railway Station in East China(No．2011090)．)

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