超低能耗建筑水平地埋管地源热泵系统优化

2024-04-03鞠恒金李祥立张宝龙

煤气与热力 2024年2期

鞠恒金, 李祥立, 常畅, 张宝龙

(大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024)

1 概述

地源热泵作为一种高效、低成本的清洁能源技术,在建筑供能领域得到了广泛应用,其中水平地埋管地源热泵系统由于其占地面积较大,在传统建筑中应用较少[1-2]。然而,随着超低能耗建筑及其相关技术的发展,新建建筑的用能负荷,尤其是供暖和供冷负荷呈明显下降趋势,所需水平地埋管的长度和占地面积也随之下降,这为水平地埋管地源热泵系统在建筑供能领域的发展带来了广阔的前景[3-8]。

由于水平地埋管地源热泵系统应用在普通建筑中往往需要联合辅助热源或冷源(例如太阳能和冷却塔等),使得水平地埋管地源热泵系统优化研究变得高度非线性,需要考虑更多的约束[9-10]。仝仓等人[11]研究分析了水平地埋管地源热泵系统的运行特性和适应性,结果表明,对于超低能耗建筑,水平地埋管地源热泵系统具有良好的应用前景。Sanaye等人[12]利用遗传算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化设计,选取管长、深度、管排层数等9个参数作为优化变量,设计出一套经济性最优的水平地埋管地源热泵系统。Rezaei等人[13]利用遗传算法对水平地埋管换热器的回填材料物性参数进行了优化,并指出地表铺设保温层有利于提高水平地埋管地源热泵系统效率。

以上研究均是针对水平地埋管换热器参数进行优化,并没有结合实际用户负荷需求对水平地埋管地源热泵系统进行优化研究。本文以某超低能耗居住建筑为例,利用TRNSYS软件搭建水平地埋管地源热泵系统仿真模型,结合实际用户负荷需求,以系统费用年值最低为目标函数,选取热泵机组供水温度为优化变量,采用Hooke-Jeeves算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化。

2 系统设计

2.1 建筑概况

以大连某栋超低能耗居住建筑为例,该建筑为2层,南北朝向,体形系数为0.25 m-1,建筑面积为270 m2,空调面积为242 m2。建筑应用了高性能围护结构,外窗采用铝合金窗框+3层Low-E玻璃,太阳得热系数为0.45。围护结构传热系数见表1,均符合GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》要求。

表1 围护结构传热系数

利用TRNSYS软件建立居住建筑负荷模型,选择典型年气象数据,对全年8 760 h建筑负荷进行模拟。室内环境设计参数参照GB/T 51350—2019、JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》确定:供暖室内设计温度为20 ℃,空调室内设计温度为26 ℃。人体发热量、设备热功率密度、照明装置热功率密度、人员在室率、设备使用率、照明装置开启率参照DB 13(J)/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》确定。

供暖期为11月5日至次年4月5日,供冷期间为6月1日至8月31日。由TRNSYS软件模拟得到的建筑全年逐时负荷见图1。由模拟结果可知:建筑全年累计冷负荷为1 497.98 kW·h,最大冷负荷为6.97 kW。全年累计热负荷为4 411.66 kW·h,最大热负荷为7.68 kW。

图1 建筑全年逐时负荷

2.2 地源热泵系统与运行策略

水平地埋管地源热泵系统(简称地源热泵系统)流程见图2。地源热泵系统由热泵机组、水平地埋管换热器、水箱、水泵、风机盘管、地面辐射供暖系统、控制系统组成。供暖期,采用地面辐射供暖系统为用户供暖。供冷期,采用风机盘管为用户供冷。

P1—地源侧水泵; P2—热泵机组-水箱水泵; P3—负荷侧水泵。

为避免地源热泵系统持续运行导致能源浪费,同时兼顾室内环境热舒适性,根据供暖期、供冷期和室内温度对地源热泵系统进行间歇启停控制[14]。在供暖期:当室内温度低于19 ℃时,开启热泵机组,水泵P1、P2、P3开启。当室内温度高于21 ℃时,关闭热泵机组,水泵P1、P2、P3关闭。在供冷期:当室内温度高于27 ℃时,开启热泵机组,水泵P1、P2、P3开启,风机盘管开启。当室内温度低于25 ℃时,关闭热泵机组,水泵P1、P2、P3关闭,风机盘管关闭。

2.3 主要设备选型

根据负荷模拟结果,建筑最大冷负荷为6.97 kW,最大热负荷为7.68 kW。因此,热泵机组选取额定制冷量为8.54 kW,额定制热量为9.87 kW,额定制冷性能系数为5.6,额定制热性能系数为4.8。水平地埋管换热器根据文献[15]进行设计,设计长度为360 m,管内径为25 mm,管横向间距为0.5 m。由于水平地埋管换热器占地面积较大,将其设置为双层,层间距为0.5 m。为确保水平地埋管换热器安全运行,上层水平地埋管换热器管中心埋深为2.0 m,距大连地区冻土层1.1 m[11]。地源热泵系统主要设备额定参数见表2。

表2 地源热泵系统主要设备额定参数

3 地源热泵系统仿真模型

本文以TRNSYS 17为平台建立地源热泵系统仿真模型。主要部件模型:热泵机组模型Type927、水平地埋管换热器模型Type997、风机盘管模型Type508c、水泵模型Type114、水箱模型Type4c、建筑模型Type56等。使用谐波土壤未扰动温度模型对水平地埋管换热器模型的初始条件和边界条件进行转化[11]。根据各部件之间逻辑控制关系组建地源热泵系统仿真模型,见图3。

图3 地源热泵系统仿真模型(软件截图)

4 地源热泵系统优化方案设计

4.1 优化方法

选用Hooke-Jeeves算法对地源热泵系统进行优化。Hooke-Jeeves算法与牛顿法、共轭梯度法、拉格朗日乘值法等方法相比,计算效率高、适定性强,对于变量不多的问题,可以有较好的效果[16-19]。

在仿真模型基础上对地源热泵系统进行优化,通过TRNSYS软件的TRNOPT模块,将GENOPT软件与仿真模型连接。利用GENOPT软件调用Hooke-Jeeves算法,对地源热泵系统优化变量进行优化计算[20-21]。GENOPT软件是一种用于优化最小化成本函数的程序,可调用TRNSYS软件生成的BUI文件和DCK文件并产生输出文件,基于TRNSYS模拟程序产生新的目标函数值,并判断是否最优,直至寻找到目标函数的最优值[22-23]。

4.2 优化目标与约束条件

将地源热泵系统费用年值作为目标函数,地源热泵系统费用年值F的计算式为:

(1)

式中F——地源热泵系统费用年值,元/a

i——基准折现利率,本文取0.07

n——系统使用年限,a,本文取15 a

Z0——系统造价,元

Zk——系统年运行费,元/a

Zw——系统年维护费,元/a

式(1)中,系统造价包括设备购置费及安装费,为5.44×104元。系统年运行费指地源热泵系统年电费,系统年维护费取系统造价的0.8%。电价按0.56 元/(kW·h)测算。

约束条件为:供冷期:水平地埋管换热器进水温度高于出水温度,用户供水温度低于回水温度,室内温度不超过27 ℃。供暖期:水平地埋管换热器出水温度高于进水温度,用户供水温度高于回水温度,室内温度不低于19 ℃[24]。

4.3 优化变量

优化前,地源热泵系统采用质调节方式,根据室外温度,改变热泵机组供水温度。TRNSYS软件模拟运行步长为0.125 h,模拟时间为8 760 h。优化前地源热泵系统各设备年耗电量见表3。由表3可知,热泵机组年耗电量为2 523.73 kW·h/a,占地源热泵系统总年耗电量的82.99%,具有较大的优化潜力。因此,选取热泵机组供水温度作为优化变量。供暖期,热泵机组初始供水温度为40 ℃。供冷期,热泵机组初始供水温度为10 ℃。