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1、.复合式地源热泵系统运行策略研究华中科技大学建筑环境与设备工程系 宋光前 徐新华 吴丹 【摘要】本文提出复合式地源热泵系统的顺序控制法与湿球温度控制法，建立了基于TRNSYS的复合式地源热泵系统及其控制系统模拟平台。以郑州某建筑复合式地源热泵系统为研究对象，并对该系统在不同运行控制下的运行及能耗进行动态模拟。模拟结果表明对于该地源热泵系统，采用湿球温度控制法并选定合适的湿球温度能保持土壤的热平衡性并且减少系统能耗。【关键词】：复合式地源热泵系统 湿球温度控制法 热平衡 动态模拟Control Strategy Study of Hybrid Ground-Source Heat Pump Sy
2、stemSong Guang-qian Xu Xin-hua Wu Dan(Department of Building Environment and Services Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China E-mail: )Abstract This paper presents a sequence operation control strategy and a wet-bulb temperature-based control strategy for a hy
3、brid ground-source heat pump system. A simulation platform is also developed for this heat pump system and its control system based on TRNSYS. The operation and energy consumption were dynamically simulated. The results show that ground heat balance can be kept well for this system and when the wet-
4、bulb temperature-based control strategy with proper wet-bulb temperature set-point is used for this system.Keywords Hybrid ground-source heat pump system, Wet-bulb temperature-based control strategy, Heat balance, Dynamic simulation0 引言地源热泵系统(GSHP)因其全年高效性与环境的友好性【1-3】，正逐渐受到用户的喜爱。对于那些冷负荷大于热负荷的建筑来说，地源热
5、泵系统需要辅以其他的排热装置配合使用。在复合式地源热泵系统中，地埋管换热器(GHE)与辅助排热装置的连接方式既可以是串联连接又可以是并联连接，图1(a)为并联的连接方式。串联方式即是热泵冷凝器出水经板式换热器换热后再经地埋管继续换热，最后回到热泵冷凝器，行成一个冷却水换热循环。在维持土壤热平衡条件下，出现了很多旨在获取更高效率从而达到节能效果的复合式地源热泵系统控制策略。许多研究都是关于如何提高复合式地源热泵系统效率的并且提出了不同的控制策略。大体上，这些控制策略可以分为三种形式【4-6】：1设置固定值法2温差控制法3固定时段法。这些控制方法需要对系统的运行参数进行测量后才能确定控制的动作。在
6、复合式地源热泵系统中，还有另外一种布置方式，就是设置不止一台热泵/制冷机，热泵系统与地源侧连接，制冷机提供不足部份的制冷量，其散热通过冷却塔，如图1(b)所示。本文将对该种布置方式的复合式地源热泵系统的控制方法进行研究，并搭建基于TRNSYS的模拟平台对系统的运行进行模拟分析。图1 复合式地源热泵系统的两种配置形式1 建筑负荷及系统配置本文选取郑州某建筑为研究对象，建筑负荷采用DeST模拟，模拟的全年逐时负荷如图2所示，该建筑的最大50h不保证热负荷为853.4kW，最大50h不保证冷负荷为1364.8kW。采暖季累计热负荷872334kWh，空调季累计冷负荷1080436kWh。冬季累计热负
7、荷为夏季累计冷负荷的80。根据计算负荷及采用复合式地源热泵系统的设计原则，选择螺杆式地源热泵1台，制冷量823kW (12/7)，功耗181kW，冷冻水流量142.8m3/h，地源侧流量172.9m3/h (温度35/30)，制热量896kW (40/45)，功耗205kW，热水流量154.3m3/h，地源侧流量119.0m3/h (温度10/5)。选择螺杆式冷水机组1台，制冷量670kW (12/7)，功耗155kW，冷冻水流量115.4m3/h，冷却侧流量142.1m3/h (温度37/32)。选择冷却塔1台，风量94300m3/h，水量150 m3/h，额定功耗5.5kW。图2 建筑全年
8、逐时空调负荷在本系统设计选型中，冬季热负荷小于夏季冷负荷，在进行地埋管设计时以优先满足冬季负荷，在夏季用制冷机(冷却塔）的方式来补充不足的制冷量。实际最大取热量由最大50h不保证热负荷853kW减去热泵的制热工况下的压缩机功耗，为655kW。参考郑州地区土壤热物性参数导热系数1.423W/mK，容积比热容pc：2.017106J/m3K。郑州年平均气温14.3，土壤温度考虑16.5。采用PB管DN25，钻孔直径150mm。地埋管单位井深换热量按35W/m计算，地埋管钻孔100m，可得出钻孔总数为187个。2 控制策略针对本系统的运行，提出两种控制策略即运行顺序控制法与湿球温度控制法。运行顺序控
9、制法是在冬天时(供暖季)运行地源热泵，从地下取热向室内供热。在夏季(空调季)运行时，优先运行地源热泵，当地源热泵向末端提供的冷量不够时，启动制冷机(冷却塔)同时向末端供冷。湿球温度控制法即是在冬天时(供暖季)运行地源热泵，从地下取热向室内供热，在夏季(空调季)运行时，根据室外的湿球温度控制制冷机与热泵的启停。具体来讲就是将室外空气湿球温度与某一设定温度(如25)进行比较，如果低于该设定值，则优先启用制冷机(+冷却塔)；当冷负荷超过制冷机的最大制冷量时，再加开地源热泵。如果室外空气湿球温度高于该设定温度时，优先启动地源热泵；当负荷超过热泵的最大制冷量时，再加开制冷机(+冷却塔)以满足末端的制冷量
10、的需求。3 模拟平台在TRNSYS上搭建该复合式地源热泵系统的模拟平台对其运行进行动态模拟。在模拟平台中的主要模型有热泵模型、制冷机模型、地埋管热交换器模型、冷却塔模型、水泵模型、控制器等，如图3所示。制冷机模型包括压缩机模型，蒸发器模型，冷凝器模型及膨胀阀模型，文献【7】提供了各模块的控制方程，热泵与制冷机在本质上及组件上是一样的，只不过制冷机只用于制取冷冻水(针对常规空调而言)，热泵根据需要既可以制取冷水，也可以制取热水。文献【7】也提供了冷却塔模型的控制方程。根据相关控制方程编制制冷机/热泵及冷却塔的TRNSYS模块。地埋管热交换器模型为TRNSYS自带模块。图3 复合式地源热泵系统模拟
11、平台4 结果及分析根据运行顺序控制法，对系统一年运行与20年运行进行模拟，每年冬天供热季热泵运行2158小时，夏季制冷季热泵运行1872小时，图4为系统运行20年土壤平均温度变化图，可以看出20年后土壤温度上升到约32，比模拟之初的16.5上升了近15，这种情况会导致夏季地埋管出水温度过高，不利用热泵运行，因此对于该建筑复合式地源系统来说不适合采用运行顺序控制法。系统运行一年时，在夏季，出水最高温度可达39，很大部分时间出水温度都高于35，一年后土壤温度上升至18.1，总功耗为857332kWh。图4 复合式地源系统运行20年土壤的温度变化采用湿球温度控制法需要找出维持土壤热平衡的湿球温度设定
12、点。表1为不同设定温度下复合式地源热泵系统模拟运行20年土壤的初始平均温度和最终平均温度，以及系统第一年、第20年和总20年的总功耗(表中未包括末端风机能耗)。将20年后土壤的平均温度与土壤的初始平均温度进行比较，可以判断该复合式地源热泵系统经过长期运行后是否能保持土壤的热平衡。设定温度为23.5时，20年后土壤的平均温度最接近土壤的初始平均温度，表明在该设定温度下的湿球温度控制基本能保证土壤的热平衡。表1 不同设定温度下系统运行20年土壤平均温度及系统总功耗选择设定温度为23.5时系统运行数据进行分析。根据湿球温度控制法，热泵在全年共运行3123个小时，其中在冬天供热季运行 2158小时，在
13、夏季制冷季运行965小时，比运行顺序控制法的少907小时；制冷机运行1537小时，比运行顺序控制法多运行1028小时。图5为地埋管热交换器进出水温度及土壤平均温度。在冬季地埋管的进水温度最低约为2，出水最低温度约为7。在夏季，地埋管出水最高温度可达33，绝大部分时间出水温度在32以下，整体的出水温度要低于顺序控制法获得的出水温度，有利于提高热泵机组的效率。土壤温度最初为16.5，在冬季取热过程中温度不断减低。在供热季结束时土壤温度为15。在夏季土壤不断吸收热泵的排热，温度逐渐升高，由空调季开始时的15升高至空调季结束时的17.6。一年后土壤温度恢复至16.4。整体的变化趋势比用运行顺序控制法平
14、缓。该系统运行一年总功耗为829063kWh，比运行顺序控制法节约功耗28269kWh，即节省功耗3.3。单位面积的年耗电量为112kWh/m2。图5 地埋管热交换器进出水温度及土壤平均温度5 小结本文针对某建筑复合式地源热泵系统的运行提出了两种控制策略，即运行顺序控制法和湿球温度控制法，以TRNSYS为平台建模并对两种控制方法下的土壤热平衡情况及能耗情况进行了模拟研究。研究结果表明运行顺序控制法不能保证土壤热平衡，在该控制方法下热泵一直优先开启，灌热量大于取热量，长期运行会导致土壤平均温度升高，使得热泵运行效率降低，甚至导致热泵机组停机，20年后的土壤平均温度都升高了10以上。研究结果进一步
15、表明，在湿球温度控制法下湿球温度设定值为23.5时能保持很好的土壤热平衡并实现系统的节能运行。参考文献1姚灵锋,蔡龙俊. 地源热泵平衡问题的研究及工程应用J. 节能技术, 2009, Vol.27(2):140-144.2王华军,赵军.混合式地源热泵系统的运行控制策略研究J. 暖通空调HV&AC, 2007, Vol.37(9):131-134.3杨卫波,施明恒. 混合式地源热泵系统（HGSHPS）的研究J. 建筑热能通风空调,2006, Vol.25(3):20-26.4Stephen, P.K., A design method for hybrid ground-source heat
16、pumps. ASHRAE Transactions, 1998. 104: p.691.5Yavuzturk, C.J.D.S., Comparative study to investigate operating and control strategies for hybrid ground source heat pump systems using a short time step simulation model. ASHRAE Transactions, 2000. 106(2): p.691698.6Yi Man, H.Y.J.W., Study on hybrid ground-coupled h
