复合式热泵系统运行策略的模拟与分析

王丽娟，李宪莉，杨 红，李胜英，吕 建，房丽硕，汪磊磊

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.天津市建筑设计院，天津 300074；3.天津住宅科学研究院有限公司，天津 300161；4.中设数字技术股份有限公司，天津 100043）

0 引言

复合式土壤源热泵系统的控制策略主要是指对辅助散热（吸热）设施运行条件的控制［1］，控制方案对整个系统的经济性、运行效果及运行费用等都有着极为重要的影响。Benjamin等［2］基于spectral-based的研究，在考虑了建筑逐时负荷、热泵设计工况和运行策略等对能耗的影响下，得到了钻孔位置与数量的优化值，同时发现复合式土壤源热泵系统可显著降低运行能耗。冷却塔-土壤源热泵系统控制策略有3种：热泵流体最高温度控制、温差控制和冷却塔开启时间控制［3］，而之前的研究，其控制策略大部分是对这3种控制策略及这3种控制策略在时间上的组合［1-14］，本文提出在同一时间将最高温度控制和温差控制进行耦合的控制策略，综合对比后确定一个适用于该高校建筑所用的复合式土壤源热泵系统的最佳运行策略。

1 运行策略

该高校的土壤源热泵系统全年运行，为维持地埋管区域土壤温度的稳定，充分发挥室外环境对冷却水的降温作用，本研究采取设定热泵机组侧进口冷却水最高温度控制法、热泵机组侧进（出）口冷却水温度与室外空气湿球温度差控制夏季冷却塔的复合运行策略。冷却塔与地埋管的连接方式采用并联式，因为并联式可通过调控阀门来实现冷却塔、地埋管分别作为单独冷源运行，或者两者共同作为冷源联合运行，而时间控制法适用于冷却塔与地埋管串联式连接，因而本文不对时间控制法进行分析。TRNSYS软件模拟［8］系统全年的运行，时间均为20 a（175 200 h），时间步长为1 h。

2 3种运行策略控制

2.1 最高温度控制法

最高温度控制法即控制热泵机组侧进口水温的最高值［7］，当室内冷负荷较大时，热泵机组侧进口水温超过该设定值（即Tsource，in＞Tset）时，开启冷却塔辅助散热，当低于该设定值1 ℃（即Tsource，in＜Tset-1）时，关停冷却塔。仿真结果主要从全生命周期能耗及土壤最高平均温度2个方面进行分析。

（1）各工况点全生命周期的运行能耗分析及最高平均温度变化

考虑到复合式系统所用的热泵在制冷时进出口水温的额定值为25 ℃/30 ℃，选取22～29 ℃8个工况点为最高温度设定值进行模拟，各设备能耗及系统总能耗的仿真结果如图1～2所示。

图1 各工况点冷却塔及热泵机组全生命周期能耗

图2 各工况点系统全生命周期总能耗

随着热泵机组侧进口冷却水最高温控点的上升，冷却塔运行时间相对减少，所以如图1，冷却塔运行能耗随最高温度设定值的升高而减少。并且以工况点4为分界点，在工况点4之前因最高温控点设定值下降而带来冷却塔能耗下降的幅度及速度明显高于之后。与此同时，随最高温度设定值的增加，冷却塔的开启时间减少，导致冷却塔辅助散热能力下降，进而使得制冷时热泵机组侧进口水温升高，最终使机组的能耗不断上升。系统全生命周期能耗由图2显示，随热泵机组侧最高进口温度设定值的提高呈先减小再增加的趋势，在工况点4时，系统总能耗出现了最小值。

为衡量不同工况点在维持土壤热平衡上的效果，将各工况点下系统运行20 a土壤平均温度的模拟结果整理到图3，在系统运行第1 a，土壤最高平均温度上升最快，主要由累计吸放热量的不同引起。前10 a变化的幅度明显高于后10 a。系统运行10 a之后，制冷季地埋管向土壤的释热量及供暖季从土壤的吸热量已达到动态的平衡，埋管区域土壤最高平均温度趋于稳定，逐年土壤温升幅度均在0.5 ℃以内。

图3 不同最高温度控制点下各年土壤最高平均温度

（2）最高温度控制下的最优工况点

如表1所示，工况点4下系统总能耗最小，工况点1下土壤最高平均温度最低。工况点4的土壤最高平均温度相比于工况点1升高了1.25 ℃，但其系统总能耗相比于工况点1下降了194 466 kW·h。因此，确定工况点4（当热泵机组侧进口水温高于25 ℃时开启冷却塔，低于24 ℃时关闭）为本最高温度控制下的最优工况点。

表1 各工况点下主要对比指标［6］

2.2 温差控制法

温差控制法是事先设定热泵机组进口或出口水温与室外空气湿球温度的差值，当两者的差值超过该设定值时，开启冷却塔；当两者的温差值低于该设定值0.5 ℃时，关停冷却塔。

（1）各工况点全生命周期的运行能耗分析及最高平均温度变化

为了最大化发挥冷却塔的辅助散热能力，采用热泵机组侧进口温差控制策略（策略a）。而热泵机组侧出口温差控制，主要是对地埋管和冷却塔两者的冷却能力比较后提出的运行策略（策略b），同样用TRNSYS模拟仿真，热泵机组侧进口温差的设定取2 ℃到7 ℃ 6个工况点。热泵机组侧出口温差值的设定，在热泵机组侧进口温差设定值的基础上增加2 ℃，同样取6个工况点（4～9 ℃），模拟可得各工况点的主要设备能耗结果如图4，5所示。

图4 热泵机组侧进口各工况点冷却塔及热泵机组全生命周期能耗

图5 热泵机组侧出口各工况点冷却塔及热泵机组全生命周期能耗

图4，5显示，随着热泵机组侧进口和出口温差设定值的增加，冷却塔能耗均呈下降趋势，策略a是因为冷却塔相对只在散热效率高的时段运行，运行时间减少，冷却塔能耗下降。同时，热泵机组侧进口水温升高，导致热泵机组能耗不断上升。策略b是因为冷却塔满足开启运行的情况出现频数下降，冷却塔能耗呈下降趋势。同时，热泵机组侧进口水温因冷却塔辅助散热运行时间的减少而有所升高，热泵机组能耗呈不断上升趋势。

图6，7显示自工况点1变化至工况点6，每2个工况点之间热泵机组能耗的上升幅度均大于冷却塔能耗下降幅度，因而热泵机组侧进口和出口系统全生命周期总能耗均不断上升，且工况点1的系统总能耗最小。

图6 热泵源侧进口各工况点系统全生命周期总能耗

图7 热泵源侧出口各工况点系统全生命周期总能耗

将TRNSYS模拟所得不同工况点对应逐年土壤最高平均温度绘于图8中，对于策略a，系统在运行1 a后，土壤最高平均温度变化幅度较大，且随热泵机组侧进口温差设定值的增加而升高。温差设定值大于3 ℃的土壤最高平均温度的升高幅度高于之后的，系统在运行9 a之后，变化幅度及速度明显减小，地埋管的吸放热量已经达到了较好的动态平衡。由此可知热泵机组侧进口温差设定值在2，3 ℃时的效果要好于温差设定值高于3 ℃的工况点，对应的最终土壤最高平均温度分别为20.4，21.32 ℃。而在其他温差控制点下，最终土壤最高平均温度均超过22 ℃。策略b的土壤最高平均温度变化与策略a相似，只是温差设定值在4，5 ℃时对土壤热平衡的控制效果要好于高于5 ℃的工况点，对应的最终土壤最高平均温度分别为19.91，20.59 ℃。在其他的温差控制点下，最终土壤最高平均温度均超过21 ℃。

图8 各年土壤最高平均温度

（2）温差控制下最优工况点的确定

综上所述，2种策略的工况点1分别为热泵机组侧进口和出口温差控制下这6个工况的最优点。但是由于采用热泵机组侧出口温差控制方式时，能对出口水温的变化作出更快速准确的判断，且出口水温间接反映冷负荷的大小，也考虑冷却塔的运行效率。同时系统总能耗较进口温差控制减小29 781 kW·h，土壤最高平均温度降低0.49 ℃。所以应采用热泵机组侧出口温差控制，当出口水温与室外空气湿球温度的温差大于4 ℃时开启冷却塔，小于3.5 ℃关停冷却塔为本温差控制下的最优工况点。

2.3 耦合控制法

由上述研究可知，采用最高温度控制方式时，控制热泵机组侧进口水温，对热泵机组能耗影响更显著；采取温差策略时，主要考虑冷却塔的运行效果，对冷却塔的运行能耗影响更显著。选取与最优工况点相邻的2个工况点作为最高温控法及温差控制法下的其它工况点，耦合控制法下不同运行工况点的设定见表2。

表2 耦合控制法下运行工况点设定

耦合控制法共设 A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3 9个工况点，以工况点A1为例，当热泵机组侧进口水温超过24 ℃并且出口水温与当前室外空气湿球温度差值大于4 ℃时，开启冷却塔辅助散热；当热泵机组侧进口水温低于23 ℃或出口水温与当前室外空气湿球温度差值小于3.5 ℃时，关停冷却塔。

将表2中不同的组合工况点代入仿真模型中运行，结果整理在图9中，以A1，A2，A3工况点为例，即热泵机组侧进口最高水温值相同时，随出口温差设定值的增加，冷却塔能耗降低，热泵机组能耗升高，原因是冷却塔运行时间随温差设定值增加而减少；以C1，B1，A1工况点为例，即热泵机组侧出口温差值相同时，随进口最高水温设定值的减小，冷却塔能耗升高，热泵机组能耗降低，这是因为热泵机组侧进口最高水温设定值越小，冷却塔运行时间就越长。其中，C3的冷却塔全生命周期能耗最低，A1热泵机组全生命周期能耗最低。

图9 各工况点冷却塔及热泵机组全生命周期能耗

以图10工况点A1，A2，A3为例，热泵机组侧进口最高水温值相同时，系统总能耗随出口温差设定值的增加而升高，其它的2个工况点B，C下有同样的趋势；以工况点A1，B1，C1为例，热泵机组侧出口温差的设定值相同时，系统总能耗随进口最高水温设定值的增加而升高，其它的2个工况点2，3下有相同的趋势。A1下对应的系统总能耗最低；C3下系统总能耗最高。

图10 各工况点系统全生命周期能耗

图11示出不同耦合控制点下土壤最高平均温度在组合工况点A1下对土壤温升控制较好，平均逐年土壤最高温度的温升最小，因为热泵机组侧进口最高水温设定值最低（24 ℃），且出口温差设定值（温差值为4 ℃）最小，因而冷却塔的运行时间最长，维持土壤热平衡的效果最好；组合工况点C3下对土壤热平衡的维持较差，平均逐年土壤最高温度的温升最大，因为比较曲线可知其冷却塔相对的运行时间最短。介于工况点A1与C3之间的其它组合工况点如A3和B2，在部分年份土壤最高平均温度较为接近，可认为对土壤热平衡的维持效果相当，因为彼此之间因热泵机组侧进口最高水温及出口温差的设定不同对冷却塔运行时间的影响差异较小。

图11 不同耦合工况点下各年土壤最高平均温度

由上述分析可知，工况点A1为本耦合控制下的最优工况点。全生命周期系统总能耗为6 696 316 kW·h，土壤最高平均温度为18.50 ℃。

3 3种运行策略下最优工况点的综合分析

3种运行策略均存在一个最优工况点。3种策略下最优工况点对应的全生命周期系统总能耗见表3。

表3 不同运行策略下最优工况点对应的全生命周期系统总能耗 kW·h

由表3可得策略Ⅲ下系统总能耗最低，运行经济性最好。

图12 不同运行策略下逐年土壤最高平均温度变化

对比不同运行策略下的逐年土壤最高平均温度，由图12可见，运行1 a后，土壤最高平均温度的变化幅度都较大。在系统运行20 a后，策略Ⅲ下的土壤最高平均温度相比于策略Ⅱ和I分别下降了1.41，3.06 ℃。以系统运行10 a为时间节点，不同运行策略下逐年土壤最高平均温度变化明显变小，但策略I，Ⅱ下仍在缓慢上升，策略Ⅲ下近似在一水平线上波动。同时，从逐年土壤温升来看，策略Ⅲ下最小，说明对土壤热平衡的维持效果最好。

由上述对不同运行策略下最优工况点的综合对比分析可知，耦合控制下的工况点A1在系统总能耗的控制及土壤热平衡的维持上均有着较好的表现，因此耦合控制的运行策略最佳，以该工况点运行20 a，系统总能耗为6 696 316 kW·h，最终的土壤最高平均温度为18.5 ℃。

4 结论

（1）采取最高温度控制的运行策略时最优工况点为：热泵机组侧进口水温高于25 ℃时开启冷却塔辅助散热，低于24 ℃时关停。系统全生命周期能耗为6 851 147 kW·h，最终的土壤最高平均温度为21.56 ℃。

（2）采取温差控制的运行策略时最优工况点为：热泵机组侧出口水温与室外空气湿球温度的温差大于4 ℃时开启冷却塔，小于3.5 ℃关闭。系统全生命周期能耗为6 760 815 kW·h，土壤最高平均温度为19.91 ℃。

（3）以耦合控制的运行策略运行时最优工况点为：热泵机组侧进口水温超过24 ℃，且出口水温与当前室外空气湿球温度差值大于4 ℃时，开启冷却塔；热泵机组侧进口水温低于23 ℃，或者出口水温与当前室外空气湿球温度差值小于3.5 ℃时，关停冷却塔。系统全生命周期能耗为6 696 316 kW·h，土壤最高平均温度为18.50 ℃。

（4）对比3种运行策略，确定该复合式系统的综合最优工况点为耦合控制法下对应的最优工况点。在系统总能耗上，相比前两种运行策略分别降低了64 499，154 832 kW·h；在最终的土壤最高平均温度上，分别下降了1.41，3.06 ℃。