復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運行策略研究-論文全文

1、復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運行策略研究華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系 宋光前 徐新華 吳丹 【摘要】本文提出復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的順序控制法與濕球溫度控制法，建立了基于TRNSYS的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)模擬平臺。以鄭州某建筑復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，并對該系統(tǒng)在不同運行控制下的運行及能耗進行動態(tài)模擬。模擬結(jié)果表明對于該地源熱泵系統(tǒng)，采用濕球溫度控制法并選定合適的濕球溫度能保持土壤的熱平衡性并且減少系統(tǒng)能耗?！娟P(guān)鍵詞】：復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng) 濕球溫度控制法 熱平衡 動態(tài)模擬Control Strategy Study of Hybrid Ground-Source Heat Pump Sys

2、temSong 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: bexhxu)Abstract This paper presents a sequence operation control strategy and a wet-bulb temperature-based control strategy for

3、 a hybrid 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

4、 wet-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 引言地源熱泵系統(tǒng)(GSHP)因其全年高效性與環(huán)境的友好性【1-3】，正逐漸受到用戶的喜愛。對于那些冷負荷大于熱負荷的建筑來

5、說，地源熱泵系統(tǒng)需要輔以其他的排熱裝置配合使用。在復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器(GHE)與輔助排熱裝置的連接方式既可以是串聯(lián)連接又可以是并聯(lián)連接，圖1(a)為并聯(lián)的連接方式。串聯(lián)方式即是熱泵冷凝器出水經(jīng)板式換熱器換熱后再經(jīng)地埋管繼續(xù)換熱，最后回到熱泵冷凝器，行成一個冷卻水換熱循環(huán)。在維持土壤熱平衡條件下，出現(xiàn)了很多旨在獲取更高效率從而達到節(jié)能效果的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)控制策略。許多研究都是關(guān)于如何提高復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)效率的并且提出了不同的控制策略。大體上，這些控制策略可以分為三種形式【4-6】：1設(shè)置固定值法2溫差控制法3固定時段法。這些控制方法需要對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行測量后才能確定控制

6、的動作。在復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中，還有另外一種布置方式，就是設(shè)置不止一臺熱泵/制冷機，熱泵系統(tǒng)與地源側(cè)連接，制冷機提供不足部份的制冷量，其散熱通過冷卻塔，如圖1(b)所示。本文將對該種布置方式的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的控制方法進行研究，并搭建基于TRNSYS的模擬平臺對系統(tǒng)的運行進行模擬分析。圖1 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的兩種配置形式1 建筑負荷及系統(tǒng)配置本文選取鄭州某建筑為研究對象，建筑負荷采用DeST模擬，模擬的全年逐時負荷如圖2所示，該建筑的最大50h不保證熱負荷為853.4kW，最大50h不保證冷負荷為1364.8kW。采暖季累計熱負荷872334kWh，空調(diào)季累計冷負荷1080436kWh。冬

7、季累計熱負荷為夏季累計冷負荷的80。根據(jù)計算負荷及采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計原則，選擇螺桿式地源熱泵1臺，制冷量823kW (12/7)，功耗181kW，冷凍水流量142.8m3/h，地源側(cè)流量172.9m3/h (溫度35/30)，制熱量896kW (40/45)，功耗205kW，熱水流量154.3m3/h，地源側(cè)流量119.0m3/h (溫度10/5)。選擇螺桿式冷水機組1臺，制冷量670kW (12/7)，功耗155kW，冷凍水流量115.4m3/h，冷卻側(cè)流量142.1m3/h (溫度37/32)。選擇冷卻塔1臺，風量94300m3/h，水量150 m3/h，額定功耗5.5kW。圖2

8、 建筑全年逐時空調(diào)負荷在本系統(tǒng)設(shè)計選型中，冬季熱負荷小于夏季冷負荷，在進行地埋管設(shè)計時以優(yōu)先滿足冬季負荷，在夏季用制冷機(冷卻塔）的方式來補充不足的制冷量。實際最大取熱量由最大50h不保證熱負荷853kW減去熱泵的制熱工況下的壓縮機功耗，為655kW。參考鄭州地區(qū)土壤熱物性參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)1.423W/mK，容積比熱容pc：2.017×106J/m3K。鄭州年平均氣溫14.3，土壤溫度考慮16.5。采用PB管DN25，鉆孔直徑150mm。地埋管單位井深換熱量按35W/m計算，地埋管鉆孔100m，可得出鉆孔總數(shù)為187個。2 控制策略針對本系統(tǒng)的運行，提出兩種控制策略即運行順序控制法與濕球

9、溫度控制法。運行順序控制法是在冬天時(供暖季)運行地源熱泵，從地下取熱向室內(nèi)供熱。在夏季(空調(diào)季)運行時，優(yōu)先運行地源熱泵，當?shù)卦礋岜孟蚰┒颂峁┑睦淞坎粔驎r，啟動制冷機(冷卻塔)同時向末端供冷。濕球溫度控制法即是在冬天時(供暖季)運行地源熱泵，從地下取熱向室內(nèi)供熱，在夏季(空調(diào)季)運行時，根據(jù)室外的濕球溫度控制制冷機與熱泵的啟停。具體來講就是將室外空氣濕球溫度與某一設(shè)定溫度(如25)進行比較，如果低于該設(shè)定值，則優(yōu)先啟用制冷機(+冷卻塔)；當冷負荷超過制冷機的最大制冷量時，再加開地源熱泵。如果室外空氣濕球溫度高于該設(shè)定溫度時，優(yōu)先啟動地源熱泵；當負荷超過熱泵的最大制冷量時，再加開制冷機(+冷卻

10、塔)以滿足末端的制冷量的需求。3 模擬平臺在TRNSYS上搭建該復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的模擬平臺對其運行進行動態(tài)模擬。在模擬平臺中的主要模型有熱泵模型、制冷機模型、地埋管熱交換器模型、冷卻塔模型、水泵模型、控制器等，如圖3所示。制冷機模型包括壓縮機模型，蒸發(fā)器模型，冷凝器模型及膨脹閥模型，文獻【7】提供了各模塊的控制方程，熱泵與制冷機在本質(zhì)上及組件上是一樣的，只不過制冷機只用于制取冷凍水(針對常規(guī)空調(diào)而言)，熱泵根據(jù)需要既可以制取冷水，也可以制取熱水。文獻【7】也提供了冷卻塔模型的控制方程。根據(jù)相關(guān)控制方程編制制冷機/熱泵及冷卻塔的TRNSYS模塊。地埋管熱交換器模型為TRNSYS自帶模塊。圖3

11、復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)模擬平臺4 結(jié)果及分析根據(jù)運行順序控制法，對系統(tǒng)一年運行與20年運行進行模擬，每年冬天供熱季熱泵運行2158小時，夏季制冷季熱泵運行1872小時，圖4為系統(tǒng)運行20年土壤平均溫度變化圖，可以看出20年后土壤溫度上升到約32，比模擬之初的16.5上升了近15，這種情況會導(dǎo)致夏季地埋管出水溫度過高，不利用熱泵運行，因此對于該建筑復(fù)合式地源系統(tǒng)來說不適合采用運行順序控制法。系統(tǒng)運行一年時，在夏季，出水最高溫度可達39，很大部分時間出水溫度都高于35，一年后土壤溫度上升至18.1，總功耗為857332kWh。圖4 復(fù)合式地源系統(tǒng)運行20年土壤的溫度變化采用濕球溫度控制法需要找出維持土

12、壤熱平衡的濕球溫度設(shè)定點。表1為不同設(shè)定溫度下復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)模擬運行20年土壤的初始平均溫度和最終平均溫度，以及系統(tǒng)第一年、第20年和總20年的總功耗(表中未包括末端風機能耗)。將20年后土壤的平均溫度與土壤的初始平均溫度進行比較，可以判斷該復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過長期運行后是否能保持土壤的熱平衡。設(shè)定溫度為23.5時，20年后土壤的平均溫度最接近土壤的初始平均溫度，表明在該設(shè)定溫度下的濕球溫度控制基本能保證土壤的熱平衡。表1 不同設(shè)定溫度下系統(tǒng)運行20年土壤平均溫度及系統(tǒng)總功耗選擇設(shè)定溫度為23.5時系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)濕球溫度控制法，熱泵在全年共運行3123個小時，其中在冬天供熱季

13、運行 2158小時，在夏季制冷季運行965小時，比運行順序控制法的少907小時；制冷機運行1537小時，比運行順序控制法多運行1028小時。圖5為地埋管熱交換器進出水溫度及土壤平均溫度。在冬季地埋管的進水溫度最低約為2，出水最低溫度約為7。在夏季，地埋管出水最高溫度可達33，絕大部分時間出水溫度在32以下，整體的出水溫度要低于順序控制法獲得的出水溫度，有利于提高熱泵機組的效率。土壤溫度最初為16.5，在冬季取熱過程中溫度不斷減低。在供熱季結(jié)束時土壤溫度為15。在夏季土壤不斷吸收熱泵的排熱，溫度逐漸升高，由空調(diào)季開始時的15升高至空調(diào)季結(jié)束時的17.6。一年后土壤溫度恢復(fù)至16.4。整體的變化趨

14、勢比用運行順序控制法平緩。該系統(tǒng)運行一年總功耗為829063kWh，比運行順序控制法節(jié)約功耗28269kWh，即節(jié)省功耗3.3。單位面積的年耗電量為112kWh/m2。圖5 地埋管熱交換器進出水溫度及土壤平均溫度5 小結(jié)本文針對某建筑復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的運行提出了兩種控制策略，即運行順序控制法和濕球溫度控制法，以TRNSYS為平臺建模并對兩種控制方法下的土壤熱平衡情況及能耗情況進行了模擬研究。研究結(jié)果表明運行順序控制法不能保證土壤熱平衡，在該控制方法下熱泵一直優(yōu)先開啟，灌熱量大于取熱量，長期運行會導(dǎo)致土壤平均溫度升高，使得熱泵運行效率降低，甚至導(dǎo)致熱泵機組停機，20年后的土壤平均溫度都升高了1

15、0以上。研究結(jié)果進一步表明，在濕球溫度控制法下濕球溫度設(shè)定值為23.5時能保持很好的土壤熱平衡并實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行。參考文獻1姚靈鋒,蔡龍俊. 地源熱泵平衡問題的研究及工程應(yīng)用J. 節(jié)能技術(shù), 2009, Vol.27(2):140-144.2王華軍,趙軍.混合式地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略研究J. 暖通空調(diào)HV&AC, 2007, Vol.37(9):131-134.3楊衛(wèi)波,施明恒. 混合式地源熱泵系統(tǒng)（HGSHPS）的研究J. 建筑熱能通風空調(diào),2006, Vol.25(3):20-26.4Stephen, P.K., A design method for hybrid grou

16、nd-source heat 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 heat pump system for air-conditioning in hot-weather areas like HongKong. Applied Energy, 2010. 87(9): p. 2826-2833.7ASHRAE. 1992. ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigeratin