空气源辅助地源复合式热泵系统运行控制策略优化研究

2022-03-22陈翔宇敬丽君敬成君

制冷与空调 2022年1期

陈翔宇敬丽君王军敬成君

（四川大学建筑与环境学院成都 610065）

0 引言

能源是社会经济发展和人们赖以生存的物质基础。随着国民经济不断发展，建筑面积不断增加，建筑能耗也随之增加。据统计，2017年我国建筑能耗占全国能耗的21.10%[1]。地源热泵作为一种利用低品位可再生能源的高效节能空调系统，得到了广泛的应用。但单一的地源热泵系统受到冬夏负荷差异造成的土壤热不平衡影响，系统的能效会逐年降低。因此，地源热泵系统通常会辅以其他空调系统配合使用，即复合式地源热泵系统。目前常见的复合式地源热泵系统主要是冷却塔、冷水机组辅助地源热泵，但存在效率较低、系统复杂、初投资大的问题。而空气源辅助地源热泵的复合式热泵系统不仅可以解决两种负荷矛盾情况下土壤的热不平衡问题，而且适用地区范围更广。

对于一个复合式地源热泵系统来说，合理的运行控制策略是能否达到节能目的，实现地埋管冬夏季取热、吸热平衡的关键。国内外对于复式地源热泵系统的控制方法主要分为三种：（1）设定温度控制法；（2）温差控制法；（3）时间控制法。乔卫来[2]以南京某复合式地源热泵系统为研究对象，通过能耗模拟软件Energyplus 分析能耗认为时间控制法能够保证系统持续高效运行。顾娟[3]等人基于TRNSYS 的仿真模型的构建，提出了地源热泵优先运行3h 的系统。虽然时间控制法相对简单，但其运行时间无法与建筑逐时负荷相匹配，无论建筑负荷大小都将开启空气源，系统经济性会较差。於继康[4]则认为在夏季空气温度较低的工况下，宜优先运行空气源热泵，减少地埋管排热。在夏季空气温度较高的工况下，空气源热泵性能下降，宜优先运行地源热泵，减少运行能耗。李营[5]和Zhang[6]等人推荐热泵进口的流体温度与周围环境空气湿球温度之差控制。Zhou[7]等人通过构建并验证了复合式地源热泵系统的TRNSYS 模型，认为最佳控制温差ΔT=6℃。王新华[8]和周铭铭[9]都认为地源侧温度控制能保证热泵机组可靠和高效运行。设定温度控制法对复合式地源热泵系统最为明确，可以结合地源热泵机组的额定制冷量，充分利用地源热泵高效节能的特性，有效地实现地埋管冬夏季吸排热的平衡。曲云霞[10]研究表明地热换热器的最高水温以当地土壤温度加上20℃为最高限度，但对于设定温度值的确定没有明确的定义。

目前，国内外对于空气源辅助地源复合式热泵系统设定温度控制法的研究还较少，且缺乏对于该系统长时间数据的研究。本文提出了一种基于由EnergyPlus 软件模拟得到的传统地源热泵地埋管空调季的逐时温度，结合地源热泵机组额定制冷量，确定地埋管出口温度设定值的方法，并以成都某办公建筑为例，优化空气源辅助地源复合式热泵系统的运行控制策略。

1 研究对象

模拟选取建筑为成都某办公建筑，成都市属于夏热冬冷地区。该办公建筑地上两层，建筑层高4.8 米，如图1所示。建筑总面积为1425.60m2，其中非空调区域为270.54m2。房间功能主要为办公室、会议室和大厅。从EnergyPlus 软件全年动态负荷模拟结果来看，本建筑设计冷负荷为185kW，设计热负荷为96kW，具体结果如图2所示。

图1 某办公建筑模型图Fig.1 Model of an office building

图2 传统地源热泵系统空调季地埋管逐时出口温度Fig.2 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger of the ground source heat pump system

图2 建筑全年逐时动态负荷Fig.2 Office building year-on-year dynamic load

根据冷热负荷分布情况，按照设计热负荷选择地源热泵机组一台，地埋管按照设计热负荷设计，总长度为1800 米，需打井18 口，井深100 米。基于所选地源热泵额定冷负荷，空气源热泵补充剩余的冷量。

2 模拟方法及条件

2.1 EnergyPlus 模型简介

本文采取EnergyPlus 对建筑负荷、设备制冷量以及耗电量进行模拟。1996年美国能源部开始筹划基于DOE-2 和BLAST 开发EnergyPlus，2001年发布了EnergyPlusVersion1.0，目前已经更新到EnergyPlus8.9.0 版本[11]。

地源热泵机组是复合式地源热泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空气热泵和水-水热泵的模型，Jin 等人[12,13]提出了参数估计模型，利用制造商目录数据用于计算参数，以便使用全局优化算法最小化误差。Shenoy 提出了方程拟合模型，该模型根据制造商样本手册得到6 个制冷/热系数Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，设定好名义制冷量、功率、负荷侧及源侧的流量即可使用，使得模拟更具有实际性，因此本文选择使用方程拟合模型。地源热泵系统冷凝侧由垂直地埋管组成使用地环路换热器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它将热量输送到地面或从地面输送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[14]。根据成都地泵热响应测试报告，土壤初始温度为19.7℃，岩土综合导热系数为2.13W/（m3·K）。

2.2 工况条件

本次模拟室外气象参数采用成都市气象参数，室内设计参数如表1所示，参考《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015 夏热冬冷地区相关规定选取围护结构热工参数取值如下，屋面传热系数为：0.63W/(m2·K)；外墙传热系数为：0.56W/(m2·K)；外窗传热系数为：2.4W/(m2·K)，太阳得热系数为0.44。

表1 室内设计参数Table 1 Interior design parameters

3 结果分析与讨论

3.1 地埋管出口温度的确定

本文所采取的空气源辅助地源复合式热泵的运行策略为根据地埋管的出口设定温度来决定空气源热泵机组的启停，当地埋管出口超过设定值时，空气源热泵机组与地源热泵机组联合运行为建筑供冷，在空气源热泵运行期间，地埋管温度低于设定温度0.2℃温差时，关闭空气源热泵机组。设定温度值决定空气源辅助地源复合式热泵系统控制策略的合理性。温度过高，首先土壤吸排热不平衡，其次在机组选型配置确定了的前提下，地源热泵机组制冷量不足，房间温度无法保证。如果设定温度过高，空气源热泵承担冷负荷太多，整个系统不节能。因此，温度设定值的合理选取对复合式地源热泵系统运行尤为重要。从大量的论文研究来看，对于设定温度值的确定都没有明确的定义，曲云霞[10]研究表明地热换热器的最高水温以当地土壤温度加上20℃为最高限度。郭哲豪[15]认为当土壤温度大于等于30℃时启动冷水机组。并且对于不同地区，不同功能的建筑其设定值可能会随之改变，本文用EnergyPlus 模拟得到根据冷负荷选型的传统地缘热泵地埋管空调季的逐时出口温度，如图3所示。其最大出口水温32.7℃，由于复合式地源热泵按照设计热负荷进行，地埋管数量有所减少，会影响到其换热量。因此设定地埋管出口温度为25℃、26℃、27℃、28℃和29℃。

图3 25℃下地埋管逐时出口温度Fig.3 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 25℃

3.2 不同温度模拟结果

3.2.1 设定温度为25℃

通过EnergyPlus 软件模拟得到出口温度设定为25℃时机组地埋管空调季逐时出口温度如图3所示，整个空调季基本在25℃以下，空气源辅助地源复合式热泵系统得到合理控制，其中地源热泵机组运行小时数为1371h，空气源热泵运行小时数为1039h。

当地埋管出口温度设定为25℃时，由EnergyPlus 软件模拟得到机组的第一年逐时制冷量、耗电量、水泵的逐时耗电量以及地埋管的逐时换热量、出口温度。从结果分析，地源热泵机组空调季累计制冷量为24907kWh，空气源热泵机组空调季累计制冷量为53300kWh，供暖季全部热负荷由地源热泵机组承担，累计热负荷为49556kWh，复合式地源热泵系统空调季EER 为2.694，供暖季COP 为2.536。地源热泵机组全年耗电量为22328kWh，空气源热泵机组全年累计耗电量为17767kWh。根据地埋管全年逐时换热量，地埋管夏季累计排热量为-31478kWh，冬季累计吸热量为31439kWh，地埋换夏季排热量最大为-28751W，土壤热不平衡率为0.12%。

3.2.2 设定温度为26℃

通过EnergyPlus 软件模拟得到出口温度设定为26℃时机组地埋管空调季逐时出口温度如图4所示，整个空调季基本在26℃以下，空气源辅助地源复合式热泵系统得到控制，其中地源热热泵机组运行小时数为1371h，空气源热泵运行小时数为1002h。

图4 26℃下地埋管逐时出口温度Fig.4 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 26℃

当地埋管出口温度设定为26℃时，由EnergyPlus 软件模拟得到机组的第一年逐时制冷量、耗电量、水泵的逐时耗电量以及地埋管的逐时换热量、出口温度。从结果分析，地源热泵机组空调季累计制冷量为28008kWh，空气源热泵机组空调季累计制冷量为50198kWh，供暖季全部热负荷由地源热泵机组承担，累计热负荷为49556kWh，复合式地源热泵系统空调季EER 为2.701，供暖季COP 为2.540。地源热泵机组全年耗电量为23243kWh，空气源热泵机组全年累计耗电量为16744kWh。根据地埋管全年逐时换热量，地埋管夏季累计排热量为-36367kWh，冬季累计吸热量为31443kWh，其中地埋换夏季排热量最大为-34175W，土壤热不平衡率为13.54%。

3.2.3 设定温度为27℃

通过EnergyPlus 软件模拟得到出口温度设定为27℃时机组地埋管空调季逐时出口温度如图5所示，整个空调季基本在27℃以下，空气源辅助地源复合式热泵系统得到控制，其中地源热泵机组运行小时数为1371h，空气源热泵运行小时数为973h。

图5 27℃下地埋管逐时出口温度Fig.5 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 27℃

当地埋管出口温度设定为27℃时，由EnergyPlus 软件模拟得到机组的第一年逐时制冷量、耗电量、水泵的逐时耗电量以及地埋管的逐时换热量、出口温度。从结果分析，地源热泵机组空调季累计制冷量为31635kWh，空气源热泵机组空调季累计制冷量为46571kWh，供暖季全部热负荷由地源热泵机组承担，累计热负荷为49556kWh，复合式地源热泵系统空调季EER 为2.708，供暖季COP 为2.544。地源热泵机组全年耗电量为27932kWh，空气源热泵机组全年累计耗电量为15534kWh。根据地埋管全年逐时换热量，地埋管夏季累计排热量为-41125kWh，冬季累计吸热量为31447kWh，其中地埋换夏季排热量最大为-39640W，土壤热不平衡率为23.5%。

3.2.4 设定温度为28℃

通过EnergyPlus 软件模拟得到出口温度设定为28℃时机组地埋管空调季逐时出口温度如图6所示，整个空调季基本在28℃以下，空气源辅助地源复合式热泵系统得到控制，其中地源热热泵机组运行小时数为1371h，空气源热泵运行小时数为932h。

图6 28℃下地埋管逐时出口温度Fig.6 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 28℃

当地埋管出口温度设定为28℃时，由EnergyPlus 软件模拟得到机组的第一年逐时制冷量、耗电量、水泵的逐时耗电量以及地埋管的逐时换热量、出口温度。从结果分析，地源热泵机组空调季累计制冷量为35275kWh，空气源热泵机组空调季累计制冷量为42931kWh，供暖季全部热负荷由地源热泵机组承担，累计热负荷为49556kWh，复合式地源热泵系统空调季EER 为2.711，供暖季COP 为2.552。地源热泵机组全年耗电量为25461kWh，空气源热泵机组全年累计耗电量为28841kWh。根据地埋管全年逐时换热量，地埋管夏季累计排热量为-45942kWh，冬季累计吸热量为31451kWh，其中地埋换夏季排热量最大为-45462W，土壤热不平衡率为31.5%。

3.2.5 设定温度为29℃

通过EnergyPlus 软件模拟得到出口温度设定为29℃时机组地埋管空调季逐时出口温度如图7所示，整个空调季基本在29℃以下，空气源辅助地源复合式热泵系统得到控制，其中地源热热泵机组运行小时数为1371h，空气源热泵运行小时数为886h。

图7 29℃下地埋管逐时出口温度Fig.7 The hourly outlet temperature of the vertical ground heat exchanger at 29℃

当地埋管出口温度设定为29℃时，由EnergyPlus 软件模拟得到机组的第一年逐时制冷量、耗电量、水泵的逐时耗电量以及地埋管的逐时换热量、出口温度。从结果分析，地源热泵机组空调季累计制冷量为38874kWh，空气源热泵机组空调季累计制冷量为39332kWh，供暖季全部热负荷由地源热泵机组承担，累计热负荷为49556kWh，复合式地源热泵系统空调季EER 为2.705，供暖季COP 为2.555。地源热泵机组全年耗电量为26716kWh，空气源热泵机组全年累计耗电量为13119kWh。根据地埋管全年逐时换热量，地埋管夏季累计排热量为-50748kWh，冬季累计吸热量为31455kWh，其中地埋换夏季排热量最大为-51596W，土壤热不平衡率为38.1%。