北京市勘察設計研究院有限公司 魏俊輝 褚賽 劉啟明 申雪云 鮑超

       【摘  要】地源熱泵系統因其高效節能、安全穩定、運行費用低等優點得到了廣泛的工程應用，但其在制冷季/供暖季向土壤排/取熱量的不均衡將導致系統效率下降，甚至無法正常運行。許多學者從系統形式的設計上提出了復合能源的解決方案，然而土壤的冷熱平衡不僅與復合能源系統中地源熱泵系統的能源占比有關，更與地源熱泵系統的運行時間有關，因此，復合能源系統運行策略的研究顯得尤為重要。本文以北京市某建筑為例，利用DeST軟件對全年逐時動態負荷進行計算，并采用GLD軟件對系統不同控制策略下的運行狀態進行了模擬，提出了既能滿足土壤的冷熱平衡需求，又能保證系統高效運行的最佳控制策略。

       【關鍵詞】全年負荷逐時動態負荷，控制策略，分時段溫度控制

1 引言

       眾所周知，地埋管地源熱泵系統由于其高效節能、安全穩定、運行費用低等優點得到了廣泛的應用。理想的情況是一年中系統冬季從土壤中抽取熱量與夏季釋放到土壤的熱量平衡，地埋管換熱器在長時間運行后，不會引起土壤平均溫度的變化。規范^[1]規定：“地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算，最小計算周期宜為1年。計算周期內，地源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。”但由于各地氣象條件、建筑圍護結構及使用功能不同，引起了建筑冷、熱負荷的不平衡，從而導致地埋管周圍的土壤溫度出現了逐年上升或下降的趨勢，直接導致地源熱泵系統的性能系數下降，耗電量的增加，甚至導致系統無法正常運行。目前，地源熱泵系統向土壤排/取熱量不均的問題，已成為國內外學者共同關注的課題。

       雖然地埋管地源熱泵的運行特性受諸多因素的影響，有關學者也在該方面進行了大量的研究^[2]，結果表明通過調節管間距、深度、或者增加土壤和回填料的導熱系數都可以緩解該問題，但不能從根本上解決該問題，尤其當土壤全年累計取排熱量差異較大時^[3]。例如我國的夏熱冬冷地區或嚴寒地區，夏季冷負荷與冬季熱負荷相差較大，甚至超過了2：1的比例，如不增加輔助能源，將使地下土壤的溫度不斷升高或降低，進而使機組的冷凝溫度升高、蒸發溫度降低，制冷或制熱量減少、設備耗功率上升。因此，解決好冷熱平衡問題是地源熱泵系統長期穩定運行的可靠保證。

       基于工程項目中暴露出的冷熱不平衡問題，許多學者都進行了相關的研究，從系統形式的設計上提出了復合能源解決方案。針對冬季熱負荷大于夏季冷負荷的北方地區，利用市政熱力、燃氣鍋爐、空氣源熱泵、太陽能與地埋管地源熱泵系統進行耦合，來解決冷熱不平衡問題。而對于夏季冷負荷明顯大于冬季熱負荷的南方地區，則主要是借助冷水機組、空氣源熱泵來解決冷熱不平衡問題。

       與傳統的地源熱泵系統相比，復合能源系統既能解決土壤熱失衡問題，提高系統運行效率，同時也能降低系統初投資。然而，土壤的冷熱平衡不僅與復合能源系統中地源熱泵系統的能源占比有關，更與地源熱泵系統的運行時間有關，因此，復合能源系統的運行策略的研究就顯得尤為重要。本文以北京市某宿舍樓為例，利用DeST軟件計算了全年逐時動態負荷，并采用GLD軟件對系統不同控制策略下的運行狀態進行了模擬，得出了既能滿足土壤冷熱平衡的需求，又能保證系統高效的最佳運行策略。

2 工程概況

       本項目為北京市某配套宿舍樓，該建筑地上8層，地下3層，總高度30m，總建筑面積5750.8m²。根據甲方的需求、工程項目的實際情況以及節能的需求，擬采用地埋管地源熱泵系統為主要能源，為建筑提供冬季供暖、夏季制冷。地埋管換熱器選用公稱直徑32mm的高密度聚乙烯（HDPE100）雙U型管，有效埋深為150m。地埋管換熱系統的設計將根據土壤熱物性參數以及建筑物的動態負荷計算結果進行設計。該建筑的效果圖如圖1所示：

圖1  建筑效果圖

3 負荷模擬

       3.1 模型建立

       本文采用清華大學開發的DeST（Design by simulation Toolkit）軟件。根據相關的建筑圖紙，在DeST中建立三維拓撲圖形，如圖2所示：

圖2  建筑三維拓撲模型

       3.2 計算結果

       將建筑的地理位置、圍護結構類型以及熱工參數、房間功能、室內設計參數、室內熱擾參數、全年熱擾及空調系統作息模式等輸入模型，在DeST軟件中進行全年8760小時的逐時動態負荷模擬，計算出建筑全年逐時動態冷熱負荷分布如圖3所示：

圖3  建筑全年動態負荷分布圖

       根據北京地區的氣候特點以及建筑的使用功能，確定本項目供冷季時間為5月15日至9月15日共計4個月，供暖季時間為11月15日至來年3月15日共計四個月，空調系統每天的運行時間為24小時。其余時間為過渡季，無需制冷及供暖。因此，本項目制冷、供暖季動態負荷分布如圖4所示：

圖4  建筑制冷季、供暖季動態負荷分布圖

       由建筑制冷季、供暖季動態負荷分布計算出該樓制冷季峰值冷負荷為1740.40kW，峰值熱負荷為576.29kW；累計冷負荷為773213.66kW.h，累計熱負荷為670306.04kW.h；若單獨采用地源熱泵系統為建筑冬季供暖，夏季制冷，全年向土壤排熱量為927856.40kW.h，全年向土壤取熱量為502729.53kW.h，全年排取熱不平衡率為45.82%，如圖5所示：

圖5 地源熱泵系統全年累計排取熱量分析圖

       由此可知，本項目夏季向土壤排放的熱量遠大于冬季的取熱量，如果單獨采用地源熱泵系統為建筑冬季供暖、夏季制冷，長期運行后，取排熱的收支不平衡將導致作為冷源的埋管周圍土壤溫度逐年升高而形成熱堆積，地源熱泵機組運行效率逐年下降，最終系統難以正常運行。

       除了土壤熱失衡這一現實性技術難題，初投資大也是抑制地源熱泵系統不能大面積推廣應用的又一重要原因。相比于傳統的冷水機組而言，地源熱泵系統在地埋管換熱器的埋管敷設的初投資方面不具有優勢。對于本項目而言，如果單獨采用地源熱泵系統為建筑冬季供暖，夏季制冷，勢必會要按照較大的全年冷負荷需求來設計埋管長度，埋管的換熱量在冬季供暖期則完全大于其建筑熱負荷需求。這樣不但不能保證系統的高效運行，還大大增加了系統初投資。另外增加埋管敷設也占用大量的土地面積，在如今建筑數量密集，土地使用緊張的大城市，地源熱泵的應用也會受到一定程度的影響。^[4]

4 方案設計

       為解決排取熱量不均衡的問題，使地源熱泵系統更加高效的運行，本方案采用地源熱泵系統加輔助冷源來提高地源熱泵系統的高效性和節能性，同時降低系統的初投資。

       通過上述熱平衡性問題分析，結合計算出的冬夏季冷熱負荷差值，將采用地源熱泵+冷水機組的復合能源形式提供建筑的冷熱源。冬季單獨運行地源熱泵系統為建筑供暖，夏季地源熱泵系統與冷水機組系統聯合運行為建筑制冷，地埋管數量根據冬季負荷進行確定。該復合系統的原理圖如圖6所示：

       考慮夏季制冷工況下，地源熱泵系統與冷水機組系統能夠穩定聯合運行，同時降低末端循環水泵并聯的流量折減。經過合理計算匹配，主機設備的選型參數如表1所示：

表1  主機設備選型參數表


圖6  地源熱泵+冷水機組復合能源的系統原理圖

5 運行策略

       5.1 溫度控制運行策略

       在以往的研究中，有學者以主要能源機組回水溫度為控制參數，制定了相應的運行策略。在機組運行過程中對此溫度進行設定，當運行溫度高于此溫度并保持一定時間，且監測到機組滿負載率時，表明單獨運行主要能源系統無法滿足負荷需求，需要輔助能源進行調峰，此時開啟輔助能源系統。當運行溫度低于此溫度并保持一定時間時，關閉輔助能源系統。

       此種運行策略以溫度為監控點，以某一種能源形式為基載，承擔基礎負荷，另一種能源形式作為調峰使用，通過監測溫度確定輔助能源的起停。即對于本復合能源系統而言，有兩種方案，第一以地源熱泵系統為基載，承擔基礎負荷，冷水機組系統作為調峰使用；第二以冷水機組系統為基載，承擔基礎負荷，地源熱泵系統作為調峰使用。

       5.1.1 地源熱泵系統承擔基礎負荷

       在夏季部分負荷時先運行地埋管地源熱泵系統，通過監測機組回水溫度以及機組負載率，判定單獨運行地源熱泵系統是否能夠滿足建筑負荷需求。當負荷增大、無法滿足設計工況時開啟冷水機組系統進行調峰。

       該方案的優點是發揮了設置地源熱泵系統的作用，充分應用了地源熱泵系統環保、高效、節能的優點，降低系統的運行費用。各個系統的承擔負荷分析如圖7所示：

圖7  復合能源系統各種能源承擔負荷分布圖

       經過計算，在該種運行策略下，地源熱泵系統承擔峰值冷負荷為582.85kW，承擔累計冷負荷為713891.16kW.h。地源熱泵系統承擔全部熱負荷，承擔峰值熱負荷為576.29kW，承擔累計熱負荷為670306.04kW.h。地源熱泵系統全年向土壤排熱量為856669.39kW.h，向土壤取熱量為502729.53kW.h，全年排取熱不平衡率為41.32%，如圖8所示：

圖8  地源熱泵系統全年累計排取熱量分析圖

       地埋管系統設計選用的是地下環路設計軟件（Ground Loop Design，GLD），GLD是一種模塊化的地源熱泵系統地下環路設計專業軟件,該軟件成功支持了垂直埋管、水平埋管和地表水等多種地源熱泵系統在大、中、小型商業建筑、住宅建筑的設計和施工。

       將系統制冷季/供暖季峰值負荷及各月累計負荷和在設計溫度和流量下的熱泵參數，如：熱泵制冷/熱量、制冷/熱功率、機組COP/EER值，以及流體參數、土壤參數、U型管參數、布孔型式等等信息輸入軟件進行計算，獲得鉆孔全長、井孔數、井孔深度、進水溫度和出水溫度等結果以及系統運行10年井群區域內土壤溫度的變化。GLD軟件計算結果如圖9所示。

       GLD計算結果顯示，本系統共需設計地埋孔延米數為17250m，系統運行10年井群區域內土壤溫度升高1.6℃。在地源熱泵系統全壽命周期內，井群區域內土壤溫度將升高3~4℃。有資料^[4]顯示，土壤溫度每升高1℃，系統效率將降低3～4％，地源熱泵系統的全壽命周期內，系統效率將降低12%~15%。長期運行，系統效率將逐年下降，最終超出機組的運行溫度，系統將報警，無法正常運行。

圖9  GLD軟件計算結果

       5.1.2 冷水機組系統承擔基礎負荷

       在夏季部分負荷時優先運行冷水機組系統，通過監測機組回水溫度以及機組負載率，判定單獨運行冷水機組系統是否能夠滿足建筑負荷需求。當負荷增大、無法滿足設計工況時開啟地埋管地源熱泵系統進行調峰。

       該方案的優點是充分利用了室外干、濕球溫度相對較低時的階段，提高了冷水機組的運行效率。各個系統的承擔負荷分析如圖10所示：

圖10  復合能源系統各種能源承擔負荷分布圖

       經過計算，在該種運行策略下，地源熱泵系統承擔峰值冷負荷為525.4kW，承擔累計冷負荷為2767.96kW.h。地源熱泵系統承擔全部熱負荷，承擔峰值熱負荷為576.29kW，承擔累計熱負荷為670306.04kW.h。地源熱泵系統全年向土壤排熱量為3321.56kW.h，向土壤取熱量為502729.53kW.h，全年取排熱不平衡率為99.34%，如圖11所示：

圖11  地源熱泵系統全年累計取排熱量分析圖

       將系統制冷季/供暖季峰值負荷及各月累計負荷和在設計溫度和流量下的熱泵參數，如：熱泵制冷/熱量、制冷/熱功率、機組COP/EER值，以及流體參數、土壤參數、U型管參數、布孔型式等等信息輸入軟件進行計算，獲得鉆孔全長、井孔數、井孔深度、進水溫度和出水溫度等結果以及系統運行10年井群區域內土壤溫度的變化。GLD軟件計算結果如圖12所示：

圖12  GLD軟件計算結果

       GLD計算結果顯示，本系統共需設計地埋孔延米數為26550m，較方案一增加了53.91%。系統運行10年井群區域內土壤溫度升高1.9℃。在地源熱泵系統全壽命周期內，井群區域內土壤溫度將升高4~5℃。地源熱泵系統的全壽命周期內，系統效率將降低15%~20%。長期運行，系統效率將逐年下降，最終超出機組的運行溫度，系統將報警，無法正常運行。

       根據以上計算分析可知：

       （1）系統向土壤全年取排熱不平衡率越高，所需地埋孔延米數越長，土壤溫度波動越明顯；

       （2）單純采用溫度控制的運行策略，不管是以地源熱泵系統為基載，承擔基礎負荷，還是以冷水機組系統為基載，承擔基礎負荷，都無法徹底解決土壤全年取排熱不平衡的問題。

       因此，我們引出分時段-溫度控制的概念，采用溫度與時間雙重控制系統運行策略，來解決土壤全年取排熱不平衡的問題。

       5.2 分時段-溫度控制運行策略

       分時段-溫度控制即采用一年中不同季節或一天中不同時間段來控制機組的啟停，為了避免發生水環路溫度過高的情況，用設定機組最高回水溫度的溫度控制的方法作為補充。

       分時段-溫度控制需要結合建筑所在區域的氣候條件和全年日負荷等數據來制定系統的運行策略，以提高系統的運行效率。對于本系統，當室外濕球溫度較低時，冷水機組系統可以優先運行，充分發揮冷卻塔向低溫環境排熱的優勢，給予地埋管土壤溫度恢復的時間，避免埋管周圍熱量堆積。

       分時段-溫度控制有很多方式，主要分為兩類，一類是在一天中不同時間段來控制機組的起停，例如考慮到夜間（例如午夜12點-早上6點）室外濕球溫度較低，冷水機組系統可以優先運行；第二類是在一年中不同季節來控制機組的起停，例如在初夏，室外濕球溫度較低時，冷水機組系統可以優先運行；在夏末，剛度過冷負荷的高峰階段，地埋管周圍土壤溫度已經升高，冷負荷已經處于較低的水準。繼續讓地埋管持續工作會導致熱泵系統的運行效率降低，此時也可以讓冷水機組系統優先運行，讓其承擔這部分較低的冷負荷，使得系統整體運行達到最優。

       本文以在一年中不同季節來控制機組的起停方式為例，在初夏或夏末時單獨運行冷水機組系統，在其他時間段，地源熱泵機組承擔基礎負荷，冷水機組系統作為調峰使用。

       該方案的優點在于既充分利用了室外干、濕球溫度相對較低時的階段，提高了冷水機組的運行效率。又充分應用了地源熱泵系統環保、高效、節能的優點，降低系統的運行費用。

       經過迭代試算，在5月15日~6月15日的初夏以及8月15日~9月15日的夏末單獨開啟冷水機組系統，其他時間段，地源熱泵機組承擔基礎冷負荷，冷水機組系統作為調峰使用，能夠解決土壤全年取排熱不平衡的問題。各個系統的承擔負荷分析如圖13所示：

圖13  復合能源系統各種能源承擔負荷分布圖

       經過計算，在該種運行策略下，地源熱泵系統承擔峰值冷負荷為581.85kW，承擔累計冷負荷為494043.70kW.h。地源熱泵系統承擔全部熱負荷，承擔峰值熱負荷為576.29kW，承擔累計熱負荷為670306.04kW.h。地源熱泵系統全年向土壤散熱量為592851.24kW.h，全年向土壤取熱量為502729.53kW.h，全年排取熱不平衡率為15.2%，如圖14所示：

圖14  地源熱泵系統全年累計排取熱量分析圖

       將系統制冷季/供暖季峰值負荷及各月累計負荷和在設計溫度和流量下的熱泵參數，如：熱泵制冷/熱量、制冷/熱功率、機組COP/EER值，以及流體參數、土壤參數、U型管參數、布孔型式等等信息輸入軟件進行計算，獲得鉆孔全長、井孔數、井孔深度、進水溫度和出水溫度等結果以及系統運行10年井群區域內土壤溫度的變化。GLD軟件計算結果如圖15所示：

圖15  GLD軟件計算結果

       GLD計算結果顯示，本系統共需設計地埋孔延米數為17250m，系統運行10年井群區域內土壤溫度升高0.2℃。在地源熱泵系統全壽命周期內，井群區域內土壤溫度僅升高0.4~0.5℃。因此，在全壽命周期內，地源熱泵系統能夠高效穩定運行。

6 結論

       本文以北京市某配套宿舍樓為例，利用DeST軟件計算了全年逐時動態負荷，并采用GLD軟件對系統不同控制策略下的運行狀態進行了模擬，得出如下結論：

       （1）系統向土壤全年取排熱不平衡率越高，所需地埋孔延米數越長，土壤溫度波動越明顯；

       （2）單純采用溫度控制的運行策略，不管是以哪種能源形式為基載，承擔基礎負荷，都無法徹底解決土壤全年取排熱不平衡的問題；

       （3）采用分時段-溫度控制，即溫度與時間雙重控制運行策略，能夠解決土壤全年取排熱不平衡的問題；

       （4）分時段-溫度控制需要結合建筑所在區域的氣候條件和全年日負荷等數據來制定系統的運行策略，以提高系統的運行效率。

參考文獻：

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。