夏热冬冷地区某复合式地源热泵系统运行策略

　　摘要：对夏热冬冷地区某项目空调冷热负荷进行详细计算和分析，将双冷凝器水源热泵机组应用于冷却塔辅助型复合式地源热泵系统，通过灵活的机组配置及合理的运行策略解决了地源热泵系统土壤释热量和取热量的平衡问题，并详细介绍了运行策略。由于理论计算和实际运行参数存在偏差，提出土壤温度动态纠偏的理念，保证地下温度场的长期平衡，达到地源热泵系统长期高效、稳定运行的目的。

　　关键词：复合式地源热泵系统;双冷凝器水源热泵机组;运行策略;土壤热平衡

　　1 项目概况

　　该工程为安徽省某政务办公区项目，分为3个单体：政务服务中心，总建筑面积33887m2，地上16层;城市规划办公楼，总建筑面积8498m2，地上10层;城市规划展览馆，总建筑面积5026m2，地上4层。

　　由于各单体功能使用时间一致，且峰值负荷出现在同一时刻，将各单体的最大负荷累加值作为系统的综合最大值。夏季空调总冷负荷4850kW，冬季空调总热负荷3224kW。

　　2 气候及地质现状

　　项目位于安徽省西部，淮河中游南岸，有多条河流和湖泊，地下水资源丰富。属于亚热带季风气候，四季分明。根据项目提供的岩土热响应试验报告，地层主要由黏土、砂夹卵石和强、中风化岩组成，岩土初始温度17.15 ℃，岩土平均综合导热系数λ=2.01W/(m·℃)。

　　3 能源条件分析

　　项目冬、夏需要采用供暖和空调系统，周边没有市政热源。

　　1)冬季室外温度较低且湿度较大，空气源热泵机组存在反复融霜的问题，该项目不适宜采用。2)燃气锅炉冬季使用费用较高，且二氧化碳排放量较高，不利于环保。3)由于项目周边地表水距离较远，考虑到当地地下水丰富，土壤换热效率较高，并且地层结构较简单，适宜垂直钻井施工，拟采用复合式地源热泵，既解决空调供冷供热需求，也达到节能减排目的。该项目夏季释热量和冬季取热量的不平衡率较高，且项目没有生活热水需求，考虑经济技术合理性，采用冷却塔辅助型复合式地源热泵。地埋管按冬季热负荷设计，夏季散热不足时，采用冷却塔进行辅助散热，在满足使用要求前提下，以最大限度降低投资，维持地下冷热平衡。

　　4 土壤换热分析

　　夏季开启制冷模式，排热使地下换热器周围土壤温度逐渐上升，系统效率逐渐降低;秋季系统不运行，土壤温度有所下降;冬季开启制热模式，系统不断吸收土壤热量，土壤温度下降;春季系统不运行，土壤温度有所回升。若夏季的累计释热量与取热量相等，换热器周围的土壤温度将恢复到初始温度。

　　地源热泵可能长期有效运行[1]。5 冷热源选型该工程夏季空调运行时间为6月5日至9月20日，冬季空调运行时间为12月5日至3月5日，对项目进行动态负荷模拟计算，假设冬、夏均采用地埋管工况运行，计算年总释热量为2309281kW·h、取热量为931040kW·h，释热量约为取热量的2.5倍，如果不采取措施，系统运行后将导致土壤环境温度升高，运行效率下降甚至系统瘫痪。

　　为此，采用冷却塔作为辅助散热，解决地埋管系统冷热不平衡的问题。根据项目的负荷特性，选用1台水冷冷水机组(制冷量1627kW)、1台单冷凝器水源热泵机组(制冷量1627kW、制热量1637kW)和1台双冷凝器水源热泵机组(冷却塔工况制冷量1627kW、制热量1637kW)。水冷冷水机组对应冷却塔运行，单冷凝器水源热泵机组对应地埋管工况运行。双冷凝器水源热泵机组的一个冷凝器对应冷却塔运行，另外一个冷凝器对应地埋管运行，可根据项目负荷特点和实际运行需求灵活切换冷凝器使用工况。

　　5 运行策略

　　众多学者对冷却塔辅助型复合式地源热泵系统控制策略进行了深入研究，提出了一些控制方法，如分时段温度控制[2]、温度控制[3]、湿球温度温差控制[45]。但是不同项目所在地区的气象参数、负荷特征等均有差异，需要针对每1个项目定制适宜的运行策略。

　　方案①：总释热量2176566kW·h，大于总取热量，热不平衡率57.2%;方案②：总释热量1437798kW·h，大于总取热量，热不平衡率35.2%;方案③：总释热量1038238kW·h，大于总取热量，热不平衡率10.3%;方案④：总释热量905523kW·h，小于总取热量，热不平衡率-2.7%;方案⑤：总释热量132715kW·h，小于总取热量，热不平衡率-85.7%。

　　以上5种运行方案比较，方案④热不平衡率-2.7%，为所有方案中最低，且在夏季初、末和早晚冷负荷较低时，优先启用冷水机组，充分利用室外湿球温度较低时冷水机组能效较高的优势。随着冷负荷增加，室外湿球温度升高，冷却塔工况能效优势降低，加载单冷凝器水源热泵机组，发挥土壤温度较低的优势，提高系统运行能效。

　　1)当2台机组均不能满足室内负荷要求时，加载双冷凝器水源热泵机组(冷却塔工况)用于平衡全年释热量和取热量，实现土壤温度恒定。GB50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》要求地埋管换热器出口温度宜≤33℃[6]，方案④运行过程如果地埋管换热器出口温度>33℃，可切换为优先运行双冷凝器水源热泵机组(冷却塔工况)，以满足系统的高效运行以及避免主机高温故障报警。

　　2)地埋管分区控制、交替运行。竖直埋管井536口，间距均为4.5m，钻孔深120m，分4个区，每区埋管数量相当、换热能力相近，水源热泵机组之间运行切换和单台机组部分负荷运行时(地源侧变流量控制)，通过机房内地埋管片区总管的电动阀开闭，实现不同场地地埋管交替运行，以利于系统的高效运行和地下温度场的恢复。

　　3)土壤温度动态纠偏。由于地质、渗流等土壤换热的复杂性，软件计算结果难以与实际土壤换热情况相同，加上气候变化以及空调实际使用频率、负荷强度和持续性等不可预测因素，设计的系统运行方案可能会导致土壤的温度失衡，有必要对土壤温度进行监测和动态纠偏。该工程竖直埋管井占地面积10854m2，区域内埋管土壤总容积 1302480 m3，土壤热容约2000kJ/(m3·℃)，次年土壤平均温降/温升按照0.1℃考虑。

　　即便不考虑向周围土壤扩散，热不平衡量犙=犆犞Δ狋=2000×1302480×0.1/3600=72360kW·h，为夏季总释热量的3%，为冬季总释热量的7%。为了保持土壤温度稳定，避免造成常年土壤热、冷堆积，以土壤平均温度浮动0.1℃作为控制精度。以一个冬、夏季为空调运行周期，下一年夏季运行时对地温监测进行判断，如土壤温度超过17.25℃(高于土壤初始温度0.1℃时)，采用方案⑤运行，减少对土壤释放热量;如土壤温度低于17.05℃(低于土壤初始温度0.1℃时)，采用方案①运行，增加对土壤释放热量。通过以上措施，动态调整土壤温度，维持土壤温度的动态平衡。

　　7 结语

　　通过全年动态负荷的计算和深入分析，制订相对准确、高效的运行方案。提出将双冷凝器水源热泵机组应用于复合式地源热泵系统，机组配置灵活，采用双冷凝器机组冷却塔工况供冷，同时冬季可空调供热，避免了通过增加冷水机组容量而带来的初投资增加，且可以对土壤温度进行动态纠偏，确保了地源热泵空调系统长久稳定、高效运行。

　　参考文献：

　　[1] 王勇，李文欣，付祥钊，等.复合式地源热泵理论与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2021

　　[2] 魏俊辉，褚赛，刘启明，等.基于土壤冷热平衡的复合能源系统运行策略研究[J].暖通空调，2021，51(6)：82 87.

　　[3] 满意.地源热泵复合系统的研究[D].济南：山东建筑大学，2007：.

　　[4] 徐永军.重庆地区复合式地源热泵系统的应用及控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2011：.

　　[5] 刚文杰，王劲柏.复合地源热泵系统土壤换热器预测模型研究[J].流体机械，2012(1)：65 69.

　　[6] 徐伟，邹瑜，刁乃仁，等.地源热泵系统工程技术规范：GB50366—2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009：.

　　作者：张 抗☆ 唐浩然 孟 欣