办公建筑混合式土壤源热泵系统冷却塔控制策略研究
土壤源热泵在武汉某大楼应用的可行性研究
土壤源热泵在武汉某大楼应用的可行性研究周戎 王宇波(湖北工业大学湖北循环经济研究中心 湖北 武汉 430068)[摘要]土壤源热泵是一种新型集中空调系统,具有高效节能环保的特点。
本文从自然条件优势、节能优势、管理优势三个方面对武汉某大楼应用土壤源热泵进行了可行性分析,并从经济性、节能性、环保性对地源热泵与传统空调系统的运行进行了比较,着重从经济性方面说明了地源热泵在建筑节能上有广阔的前景。
[关键词]土壤源热泵;经济性;节能性;环保性[中图分类号]F205[文献标识码]A [文章编号]100326067(2008)1120161202 1、概述当前,我国建筑能耗占到全社会总能耗27%左右,其中建筑物供热制冷的能耗大概占到整个建筑能耗的60%左右。
我国几种常用的空调冷热源用能主要还是以电力和化石能源(煤、油、气)为主,特别是煤炭所占占全国能耗总量的比例较大,达到了75%以上。
能源结构不合理,能源利用率低,环境污染严重,导致我国能源形势更加严峻。
因此从可持续发展的角度来看,提高能源利用率和开发利用可再生能源是目前解决我国能源与环境问题的重要途径之一。
地热能作为一种重要的可再生能源,具有无污染、安全性好、不受地域资源限制的优点,并且地热能不像太阳能会受到气候的较大影响,也不像深层地热受资源和地质结构的限制,因此开发利用地热能,发展地源热泵是建筑节能发展的需要。
《可再生能源法》的实施成为进一步推动开发利用地热能源的保障。
此外,国务院即将批准的《建筑节能管理条例》中明确提出,具备条件的要因地制宜地采用地源热泵形式。
国家发改委推出《中长期节能发展规划》以及国务院加强节能减排工作中,都把地源热泵作为建筑节能中的一项推广的应用技术。
而武汉地区是典型的冬冷夏热地区,空调拥有量很高,至2006年每百户家庭拥有家用空调器144.6台;部分单位住宅及新开发的高档住宅小区装有集中供暖系统。
现在几乎所有新建公共建筑都设有供冷供热的中央空调系统,每年耗电量巨大。
浅析地源热泵系统中冷却塔的使用
浅析地源热泵系统中冷却塔的使用夏热冬冷地区夏季空调供冷负荷往往大于冬季供暖负荷，采用土壤源热泵系统由于全年向地下土壤排热量和取热量的不平衡而容易导致土壤“热堆积”问题。
目前解决土壤热堆积问题的主要方法是采用冷却塔辅助冷却的混合式土壤源热泵系统。
然而，冷却塔辅助冷却的混合式土壤源热泵系统，由于受南方夏热冬冷地区夏季高峰负荷时期（的7、8月份）高温高湿室外气象条件的影响，将使冷却塔出水温度过高，致使土壤源热泵机组运行效率低、组能效系数COP低于额定工况；为了缓解这一问题，通常选用更大容量的冷却塔，其结果是既不经济节能，同时采用土壤源热泵系统的意义也将受到质疑。
夏热冬冷地区冷热不平衡导致的系统运行结果如下图：1，冷却塔运联方式美国制冷空调工程师协会（ASHRAE）介绍了利用冷却塔辅助冷却的混合式地源热泵系统应用于大型商业办公建筑的方法，并给出了辅助冷却装置的设计方法，也对冷却塔与地埋管换热器之间采用串联和并联两种模式的混合式地源热泵进行了实验对比，得出了采用并联式的混合式土壤源热泵比采用串联式具有更好的运行效果；科研人员对采用了冷却塔辅助冷却方式的土壤源热泵系统的控制方式进行了模拟，模拟结果表明：当土壤源热泵机组的出水温度与室外空气湿球温度的差值超过2℃时，冷却塔开始运行的控制模式具有较大的优越性；目前国内院校对利用冷却塔辅助冷却的混合式土壤源热泵系统进行了三种控制策略的实验测试研究，研究结果表明：根据土壤源热泵机组出口流体温度与周围环境空气湿球温度之差控制冷却塔运行的策略，可以较好地平衡地下土壤冷热负荷、并使系统能耗最小。
并联、串联方式如下图示：除了以上两种方式，本研究提出了另一种方式，即串并联混合式设计方法，一种基于冷却塔过渡季节土壤补偿蓄冷的混合式土壤源热泵系统土壤热恢复新方法，以应对夏热冬冷地区采用地源热泵系统容易导致土壤“热堆积”问题，同时为夏热冬冷地区土壤源热泵系统的高效节能应用与优化设计提供方法参考。
冷却塔—土壤源联合运行热泵系统的优化
冷却塔—土壤源联合运行热泵系统的优化随着节能和环保意识的增强,土壤源热泵作为一种新型的绿色节能技术,受到越来越多的人们的关注。
它具有高效节能、环境污染小、运行稳定可靠、运行费用低等优点。
但在冷热负荷相差较大的建筑内,为使埋管周围土壤温度得到很好的恢复,提高机组的运行效率,必须加辅助散热设备或辅助加热设备。
本文针对冷负荷远大于热负荷的建筑,采用冷却塔—土壤源混合热泵系统,分析系统设计和运行控制策略,并对几种不同的方案进行经济性分析与比较。
本文介绍土壤源热泵的起源及在国内外的发展情况,分析土壤源热泵系统较传统空调系统的优势,以及自身存在的不足,继而提出本课题的研究工作。
分析冷却塔—土壤源热泵系统的组成形式以及现有的设备选型方法和系统运行控制策略。
并以武汉市某一办公楼为例,采用DeST模拟软件对其进行全年动态负荷计算,在此基础上,根据现有的冷却塔-土壤源混合式热泵系统选型方法,对该系统的各主要设备进行了选型,确定了三种不同方案。
分析了目前工程经济的四种评价标准,根据本文的实际情况选用热经济学方法对以上所选的三种方案进行经济性分析,计算各自的年投资费用、年运行费用和年维护管理费用,以此来评价方案的经济性。
地源热泵供热制冷节能环保系统应用研究
地源热泵供热制冷节能环保系统应用研究摘要：近年来，随着时代的发展，人们对居住环境的要求越来越高，对能源的需求量也在不断增多。
“节能减排”成为全球共同的使命和责任。
地源热泵系统的节能控制不是单纯地减少能源的利用，而是提高能源的利用率，减少能源的浪费，根据需求合理使用能源。
因此，对地源热泵系统进行节能运行控制研究具有十分重要的意义。
关键词：地源热泵；供热制冷节能环保系统；应用地源热泵系统作为一种广泛应用的能源转化系统，越来越受到人们的重视,，如今伴随着人们对于环保意识的加强，对于节能发展是将清洁可再生能源作为当前形势下研究的热点问题。
地源热泵的应用既可满足节能的需求，又可利用新型的可再生能源，提供稳定可靠的供能，并且不会受到传统燃料短缺或者价格浮动的影响。
具备节能减排明显效果的优势下，经过多年的工程实践。
地源热泵的应用技术已经相对的成熟可靠，经济性与环保型已在每次的工程项目中得到充分的肯定，具有较强的发展潜力。
1地源热泵技术概述在应用地源热泵技术的供热制冷节能环保系统中，将空调系统的热交换器放置于地下，介质在强度高、密封性好的环路中持续流动，从而实现系统与土壤间的热量交换。
夏季，地源热泵机组将从建筑中吸收的热能转移到地下，实现建筑降温；冬季，地源热泵将土壤中的热量转移到建筑当中，提高建筑环境温度的同时将其内部冷量转移到土壤当中。
2地源热泵的特点及分类2.1地源热泵技术的特点（1）地源热泵在环保效益方面特别显著。
在它的运行维护过程中没有任何固体、液体的废弃物排放。
从这个角度说是没有任何污染，属于零排放零污染。
（2）地源热泵技术属于可再生能源技术。
它是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的供暖供冷空调系统的。
地表浅层收集了约47%的太阳能量。
可以说是一个取之不尽用之不竭的能源。
（3）地源热泵技术是经济有效的节能技术。
源于地表浅层地热资源温度非常稳定，这就使得地源热泵比传统空调系统运行效率能提高40%左右，于是也能节能与节约运行费用40%左右。
北京某5000平米办公楼土壤源热泵方案分析
北京某5000平⽶办公楼⼟壤源热泵⽅案分析项⽬概况项⽬位于北京市，建筑⾯积5000平⽶，设计冷负荷65KW，冬季热负荷30KW.空调系统概况该项⽬采⽤地源热泵设计,地源热泵系统由巨浪⽔地源中央空调机组、⼟壤型换热器、膨胀⽔箱、循环⽔泵、室内风盘和⽔管等组成.室外设计参数(北京地区)夏季空调计算⼲球温度: 33.2℃空调计算⽇平均温度: 28.5℃空调计算湿球温度: 26.4℃通风计算⼲球温度: 30℃平均风速: 1.9m/s风向: 北⼤⽓压⼒:998.6HPa冬季空调计算⼲球温度: -12℃空调计算相对湿度: 45%采暖计算⼲球温度: -9℃通风计算⼲球温度: -5℃平均风速: 2.8m/s风向: 北/西北⼤⽓压⼒:1020.4HPa室内设计参数夏季室内温度: 24-26(℃)冬季室内温度: 18-20(℃)技术⽅案⼀、概述空调系统制冷量650KW,按空调使⽤率80%计算,需要机组冷量520KW,根据冷量选择巨浪LYJL-25SSR机组7台;空调系统制热量300KW,按使⽤率80%计算,需要机组制热量240KW,根据热量选择巨浪LYJL-25SSR机组3台;由此推出7台LYJL-25SSR机组即可满⾜该空调系统的冷热负荷需求.⼆、地源热泵系统设计1,地源热泵系统的组成,⼯作原理与特点地源热泵系统主要由地源热泵机组、⼟壤型换热器、膨胀⽔箱、室内风盘、循环⽔泵、⽔管组成.地源热泵机组与空⽓源热泵机组的区别是使⽤的热源不同,地源热泵可安装在封闭的空间,⽅便管理.⼟壤型换热器是由⾼密度塑料管组成的闭式环路,循环介质为⽔或加有防冻液的⽔溶液.系统夏季运⾏时,通过地下换热管中介质的流动,将地源热泵机组冷凝器散发的热量在⼟壤中放出;冬季运⾏时埋在地下换热管中的介质从⼟壤中吸收热量并将它传递给地源热泵机组的冷凝器.由于地表两⽶以下的⼟壤基本不受⼤⽓环境温度的影响,⽽常年保持恒定温度,冬暖夏凉.因此地源热泵机组的空调效果不受环境温度影响,运⾏稳定可靠,并且效率⼤⼤提⾼.2,地源热泵系统室内设计根据格局特点考虑到对噪⾳和吊顶等⽅⾯的要求,同时保证系统能效⽐⾼的特殊要求,室内采⽤风机盘管(本⽅案未考虑新风处理系统).根据房间⼤⼩匹配相应的风机盘管,地源热泵机组安装在空调机房,由⽔管给风盘提供冷热源.3,地源热泵室内⽔系统设计⽔系统设计为两管制异程循环管,冷热⽔供回⽔温度为7/12℃和40/45℃.每个风机盘管供⽔管上都装有过滤器,部分回⽔管上装有电动⼆通阀.⽴管最⾼点装有⾃动排⽓阀.分集⽔器分别装有温度表和压⼒表.分集⽔器、⽔泵、闭式膨胀罐等均安装在机房内.4,地源热泵中央空调地下埋管式换热器系统设计地源热泵的地下换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表⼟壤中.⼟壤的类型、热性能、热传导等对地源热泵系统的性能影响较⼤.根据该项⽬提供的地质勘测报告,根据该地区的⼟壤特性、地址结构特点,计算⼟壤性质分析单位管长的换热能⼒.具体步骤如下:(1)计算地下换热器的最⼤换热量冬夏季地下换热量分别是指夏季向⼟壤排放的热量和冬季从⼟壤中吸收的热量.根据公式计算⼟壤性换热器的换热量1Q1`=Q1*(1+COP1)1Q2`=Q2*(1-COP2)其中:Q1`:夏季向⼟壤排放的热量,KWQ1:夏季设计总冷负荷,KWQ2`:冬季向⼟壤吸取的热量,KWQ2:冬季设计总冷负荷,KWCOP1:设计⼯况下⽔源热泵机组的制冷系数,取4.0COP2:设计⼯况下⽔源热泵机组的供热系数取4.5因为夏季向⼟壤排放的热量⼤于冬季从⼟壤中吸取的热量,正常情况下,考虑整个系统全部采⽤地源热泵形式制冷/热量,地埋管考虑以夏季向⼟壤中吸取的热量Q1进⾏计算.(2)竖井埋管管长竖井埋管管长度取决单位埋管的换热能⼒,计算公式如下:L=Q1`*1000/W其中:L:竖井埋管总长,mQ1`:换热器最⼤换热量,kwW:单位管长换热量,w/m单位管长换热量与地质结构成分有密切关系,⽽且各地质层传热性能各有差异,在建⽴模型计算⽅⾯⽐较困难,⽽且也存在⼀定的误差,故在此项⽬我们根据以往在该地区的⼯程经验来计算单位管长的换热量,并参照国季地源热泵协会的模拟软件运⾏,综合上述⽅法给出该⽅案的单位换热量为35w/m,故竖井管长为:15000m(3)确定竖井数⽬及间距竖井深度多数采⽤50-100m,根据⼯程的地质现场条件,考虑该项⽬竖井打60m较为合理.(如果地下有岩层或其他硬物,则需另外考虑).下⾯计算竖井数⽬:N=L/2 * H其中:L:竖井埋管总长,m N:竖井总数,个 H:竖井深度,m根据计算本⼯程打孔125个,深度80m本⼯程埋管孔径约为110mm~150mm,下管深度60m(如果地下有岩层或其他硬物,则需另外考虑).⽴管采⽤DN32的PE聚⼄烯管.打孔数量为125孔,根据⼯程经验,设计间距为4m.地热换热管路连接⽅式结合串联和并联两种⽅式的优缺点⽐较,本⼯程选⽤并联地热换热器连接⽅式.5,详细的地埋管地源热泵系统流程图地源热泵的适⽤性分析⼟壤源热泵技术上的适⽤性主要取决于⼯程所在地的⼟壤温度、建筑物负荷情况、地质情况以及是否具备充⾜的⼟壤换热器施⼯场所。
冷却塔辅助地源热泵系统设计及运行控制策略优化
冷却塔辅助地源热泵系统设计及运行控制策略优化史惠强;谢爱峰;郭珑珑【摘要】土壤热平衡对地源热泵系统的长期稳定运行和经济性能具有重要影响.地下埋管换热器换热情况复杂,各地区地域特征和气候具有较大的差异性,且建筑物类型的多样性,需要针对具体工程开展有针对性的研究.以南通地区住宅建筑为例,利用Design Builder能耗模拟软件,进行了全年逐时负荷计算.运用TRNSYS建立了冷却塔辅助地源热泵系统动态仿真模型,对系统冷却塔容量的确定和运行控制策略进行了优化.综合初期投资和运行费用,冷却塔按50％容量选型,与地埋管串联,源侧热泵出口和土壤温度差值大于等于10℃.而且,冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开启运行,为经济性能最好的方案.【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(018)003【总页数】7页(P46-52)【关键词】冷却塔辅助地源;热泵系统;土壤热平衡;运行控制策略;地埋管换热【作者】史惠强;谢爱峰;郭珑珑【作者单位】龙信建设集团有限公司,江苏南通226100;龙信建设集团有限公司,江苏南通226100;龙信建设集团有限公司,江苏南通226100【正文语种】中文【中图分类】TB657.2地源热泵系统是利用浅层地热能的有效形式.国家地热能开发利用“十三五”规划明确指出:“沿长江经济带地区,针对城镇居民对供暖的迫切需求,加快推广以热泵技术应用为主的地热能利用”.但是,随着地源热泵系统研究的不断深入和工程案例的增多,地埋管换热器的土壤热平衡问题,逐渐引起重视,并成为研究的热点.国内外相关研究机构及学者对其进行了一定的探讨,研究主要集中在辅助冷却混合系统、冷凝热回收系统、辅助加热混合系统及地下土壤温度变化规律等方面,相继提出了一些调控土壤热平衡的措施,为促进地源热泵技术的推广应用起到了很好的促进作用.[1-7]尽管很多学者和研究人员针对土壤热平衡问题做过相关研究,但是由于地下换热情况的复杂性,各地区地域特征和气候的差异性及建筑类型的多样性,需要针对具体的工程实际情况和案例开展有针对性的研究.本文以南通地区龙信建设集团玉园小区住宅建筑为例,利用DesignBuilder能耗模拟软件进行全年逐时负荷计算,运用TRNSYS建立冷却塔辅助地源热泵系统动态仿真模型,对系统冷却塔容量的确定和运行控制策略进行了优化,为具体工程实例设计和运行提供参考和依据.1 全年空调负荷计算1.1 建筑模型南通地区龙信建设集团玉园小区住宅建筑为6层4个单元,建筑面积为3 779.74 m2,空调面积为2 743.33 m2.建筑围护结构构造见表1.[8]表1 围护结构材料组成Tab.1 Material composition of building envelopes名称构造传热系数/_______________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________(W·m2·K-1)__外墙复合发泡水泥板(30.0 mm)水泥砂浆(6.0 mm)+水泥砂浆(9.0 mm)+蒸压加气混凝土砌块(200.0 mm)+水泥砂浆(9.0 mm)+水泥砂浆(5.0 mm)0.74屋面细石混凝土(50.0 mm)+水泥砂浆(10.0 mm)+水泥砂浆(20.0 mm)+真空绝热板(12.0 mm)+水泥砂浆(10.0 mm)+水泥砂浆(20.0 mm)+轻集料混凝土找坡(30.0 mm)+钢筋混凝土(120.0 mm)0.67___楼板_______水泥砂浆(20.0 mm)+钢筋混凝土(120.0 mm)+无机轻集料保温砂__________________________________________浆(20.0 mm)1.97________内墙水泥砂浆(5.0 mm)+水泥砂浆(9.0 mm)+粉煤灰加气混凝土砌块(200.0 mm)+水泥砂浆(9.0 mm)____________+水泥砂浆(5.0 mm)0.96___外窗_______多腔塑料型材(6 mm透明+12mm_________________________________________________________________________空气+6 mm透明)2.60___________外门_______双层金属门板填充1_______________________________________________________________________________ _____5～18厚玻璃棉板2.47_______1.2 计算参数设置住宅内各房间内部热扰设定见表2,换气次数见表3,全年空调时间为6月1日至9月31日,采暖时间为12月1日至次年2月28日.卧室、餐厅、起居室设置空调,厨房、卫生间、阳台不设置空调.人员、设备、照明及空调系统的作息规律见表4.气象数据选用Energy Plus网站提供的CSWD格式的气象文件.表2 各房间的内部热扰Tab.2 Internal heat disturbance in each room功能房间电器负荷/(W·m-2)____照明负荷/(W·m-2)____人员密度/(m2·人-1)卧室4.30 7.00 6.02餐厅 0.00 10.50 59.17卫生间 1.67 7.50 53.37厨房 30.28 21.00 42.19起居室 4.30 17.50 4.61__________________楼梯间2.16_____________________________________________________3.00_50.90表3 换气次数选取Tab.3 Cement technical indicators房间类型一面有外窗______________________________________的房间两面有外窗的房间______三面有外窗的房间______________门厅换气次数_____0.5_________________________________________________0.7_1.0_2.0表4 作息规律Tab.4 Schedule of work and rest_______时间____________________________________________________人员_设备_照明_空调0:00-6:00 1 0 0 1 7:00-9:00 1 1 1 1 10:00-10:00 0.3 1 0.2 0 11:00-17:00 0 0.5 0 0 18:00-18:00 0.5 0.5 0.3 0__19:00-23:00___________________________________________________1_1_1_11.3 模拟结果用DesignBuilder软件对其全年8 760 h的空调负荷进行动态模拟计算,结果如图1所示.建筑总制热量为51 653 k Wh,总制冷量为114 244 k Wh.根据供暖通风与空气调节设计规范,夏季空调室外计算干球温度,采用历年平均不保证50 h的干球温度.供暖室外计算温度采用历年平均不保证5 d的日平均温度.根据模拟计算结果,去掉不保证时刻的极端数值,冬季设计负荷为65 k W,夏季设计负荷为169 k W,冬夏季单位面积负荷指标分别为17.2 W/m2和44.8 W/m2(按建筑面积计算)[9]. 图1 建筑物全年空调负荷分布Fig.1 Annual air conditioning load distribution of buildings2 地源热泵系统设计2.1 地源热泵机组选择地源热泵机组的选择应根据制冷工况的种类、装机容量、运行工况、节能效果、环保安全及负荷变化情况和运行调节要求等因素确定.根据不同机组的特点,住宅区冷负荷分布的特点和调节的要求,本次选用MRDB15地源型水源热泵机组1台,制冷量/制热量为174/177.5 k W,输入功率为33.4/39.3 k W,冷凝器水流量为35.5/30m3/h,蒸发器水流量为30/35.5 m3/h,能量调节方式为100-75-50-25-0(%).2.2 地埋管换热器设计2.2.1 钻孔长度根据工程地质资料,当地土壤的导热系数为1.72 W/(m·K),比热为1.8 kJ/(kg.K),密度为1 250 kg/m3;回填料的导热系数取周围岩土体的导热系数,地埋管管壁的导热系数取0.42 W/(m·K),地埋管换热器各部分的热阻按《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366)(2009版)附录B计算.竖直地埋管换热器夏季和冬季钻孔长度设计计算方法如下:式中:R f为传热介质与U型管内壁的对流换热热阻,m·K/W;R b为钻孔注浆回填料的热阻,m·K/W;R s为地层热阻,m·K/W;R sp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻,m·K/W;T∞为地下未受干扰时的平均温度,根据南通市资料取17℃;[10]T max为制冷工况下,地埋管换热器中循环液的设计平均温度,取30℃;T min为制热工况下,地埋管换热器中循环液的设计平均温度,本次设计取8.35℃.F c,F h为供冷供热的运行份额,根据模拟计算结果,F c为0.625,F h为0.625.Q c,Q h为机组制冷和制热时的最大出力,k W.经计算,夏季钻孔长度为3 580 m,冬季钻孔长度为1 439 m,系统应按夏季工况确定钻孔数量.2.2.2 钻孔数量本工程拟采用单U型管,按技术规程要求管内设计流速不低于0.6m/s,钻孔数量按式(3)计算:式中:G z为地源侧循环水流量,按机组选型为35.5 m3/h;d n为U型埋管内径,De32对应内径为0.026 m;V为循环液的流速,m/s.经过计算,打孔数量为31个,流速为0.6 m/s,钻孔深度为116 m(满足规范一般在120 m内的要求).水平环路集管距地面取1.5 m,钻孔孔径取150 mm.相邻钻孔中心间距一般为4～6 m为宜,本设计取为5 m.2.3 土壤热平衡分析及辅助冷却塔选型土壤释热和取热量按照式(4)、(5)计算:[11]式中:Q′1为夏季向土壤排放的热量,k W;Q 1为夏季设计总冷负荷,k W;Q′2为冬季从土壤吸收的热量,k W;Q 2为冬季设计总热负荷,k W;EER为设计工况下水源热泵机组的制冷系数;COP为设计工况下水源热泵机组的供热系数.本项目夏季释热量为207.4 k W,冬季取热量为55.68 k W,不平衡率为73.15%,且夏季释热量大于冬季取热量.按江苏省地源热泵系统工程技术规程要求,全年冬夏季取热量和释热量相差大于10%,应通过增设辅助冷却塔来满足建筑冬夏制冷与供热需求.为避免污染埋管侧循环介质,选用闭式冷却塔.南通地区夏季空气调节计算湿球温度为28.1℃,冷却塔可按机组要求容量的100%、80%、50%方式配置,具体选型结果见表5(根据模拟计算结果最终确定方案和运行控制策略),设计湿球温度为28℃,干球温度为31.5℃,进出水温度为37/32℃.表5 冷却塔性能参数Tab.5 Cooling tower performance parameters型号占额定容量的比例/%__________水流量/(m3·h-1)___________冷却能力/kW________________喷淋泵功率/k W________________风机功率/k W____________风机流量/(m3·h-1)___FNB-20 100 20 116 0.75 0.75*2 12 800*2 FNB-30 80 30 174 1.1 1.1*2 19 200*2__FNB-40___________________50________________________________________________________ __________________________________________________________40_233_1.1_1.5*2_25 600*23 TRNSYS动态模拟仿真3.1 仿真模型建立为模拟系统长期运行性能变化、土壤温度变化、辅助冷却塔运行模式对土壤温度变化的影响等问题,需要调用TRNSYS中地埋管换热器Type557a、水水热泵Type668、水泵Type114、冷却塔 Type510、合流器 Type11h、分流器Type647、数据读取 Type9e、控制器 Type14、Type2b等模块,各模块的连接关系如图2所示.图2 TRNSYS模拟仿真模型Fig.2 TRNSYSsimulation model本次模拟设定从夏季空调负荷不为零的前3个时刻开始(设定为模拟的第一时刻,相应于从自然年1月1日第1时刻开始的3 622时刻)为2 931时刻(相应于从自然年1月1日第1时刻开始的6 552时刻),前3个时刻负荷为0,为系统调试时间,空调季共2 928个时刻(122天6月1日～9月30日);采暖季从模拟的4 393时刻(相应于从自然年1月1日第1时刻开始的8 014时刻(12月1日))～6 555时刻(相应于从自然年1月1日第1时刻开始的次年1 416时刻(2月28日)).3.2 运行工况设定为比较冷却塔运行方式对系统经济型和土壤热平衡的影响,系统按表6所示的9种工况进行动态仿真模拟计算.冷却塔按100%容量配置时,与地埋管交替运行.冷却塔按80%、50%容量配置时,与地埋管串联,分流系数为按保证冷却塔额定水量,其余旁通经过,与冷却塔出水混合.3.3 动态仿真模拟计算结果针对设定的9种运行工况,采用TRNSYS对地源热泵系统全年8 760h的运行情况进行动态模拟仿真计算,结果见表7、表8.表6 冷却塔运行工况设定Tab.6 Operation condition of cooling tower_序_____________________________________________________________号运行工况______________________________________________________________1____冷却塔不运行________________________________________________________________________________ _____________________________2_____冷却塔100%容量配置,冷凝器入口温度和当地湿球温度上、下限控制温差__________分别为16、14℃_______________________________________3_____冷却塔100%容量配置,冷凝器入口温度和当地湿球温度上、下限控制温差__________分别为14、14℃_________________________________________4_____冷却塔100%容量配置,冷凝器入口温度和当地湿球温度上、下限控制温差__________分别为16、16℃_________________________________________5_____冷却塔100%容量配置,冷凝器入口温度和当地湿球温度上、下限控制温差_________分别为17、17℃_____________________________________6 冷却塔按80%容量配置,源侧热泵出口和土壤温度差值大于等于8℃,且冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开启冷却塔________________________________________________________________________________ ______________________________________7 冷却塔按80%容量配置,源侧热泵出口和土壤温度差值大于等于10℃,且冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开启冷却塔________________________________________________________________________________ ________________________________8 冷却塔按50%容量配置,源侧热泵出口和土壤温度差值大于等于8℃,且冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开启________________________________________________________________________________ ________________________________________________________冷却塔9 冷却塔按50%容量配置,源侧热泵出口和土壤温度差值大于等于10℃,且冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开________________________________________________________________________________ _______________________________________________________启冷却塔表7 不同工况下空调季和采暖季源侧热泵入口、用户入口及土壤温度变化Tab.7 Variation of temperature of the source side inlet of heat pump,the load side inlet and soil in the air conditioning season and heating season under different operating conditions序号地温初始/年末温度________________________________________________________________________________ ________________空调季结束地温温度/℃ 源侧热泵入口温度最大值/℃___用户入口温度最大值/℃采暖季_______________________结束地温温度/℃ 地埋管出水温度小值/℃____用户入口温度最小值/℃_1 17/18.37 22.77 35.01 7.56 18.36 9.56 45.00 2 17/16.23 19.60 30.90 7.56 16.03 7.80 45.00 3 17/16.23 19.60 30.90 7.56 16.03 7.80 45.00 4 17/16.47 19.96 30.66 7.56 16.29 8.00 45.00 517/16.64 20.22 31.35 7.46 16.48 8.14 45.00 6 17/16.24 19.69 27.26 7.39 16.03 7.62 45.00 7 17/16.67 20.33 28.04 7.45 16.50 8.00 45.00 8 17/16.52 20.10 27.64 7.43 16.33 7.8745.00___9__________17/16.66_________________20.32____________________________ ________________________________________________________________________________ 28.95_7.46_16.49_7.99_45.00表8 不同工况机组能耗及冷却塔能耗变化Tab.8 Changes in energy consumption of heat pump and cooling tower under different operating conditions__序号_______排热量/GJ_______吸热量/GJ_____不平衡率/%_______机组能耗/GJ____________________________________________________________冷却塔能耗/GJ_冷却塔排热量/GJ_冷却塔运行时间/h 1 1 172.00 648.87 44.62 453.97 2 535.21 612.77 -14.49 444.22 10.32 970.32 956 3 535.21 612.77 -14.49444.22 10.32 970.32 956 4 607.55 617.54 -1.64 445.37 8.15 714.92 755 5 657.17 620.78 5.54 446.19 7.62 646.02 706 6 558.47 627.98 -12.45 444.28 6.32 631.40 798.00 7 690.10 636.80 7.72 447.44 1.26 118.71 159.00 8642.35 633.65 1.35 446.54 6.48 723.26 1200.00___9_____________684.23_____________636.42____________________________ ________________________________________________________________6.99_447.45_4. 73_556.30_875.004 冷却塔容量及运行控制策略优化辅助冷却塔不运行时,由于南通地区夏季冷负荷远大于冬季采暖负荷,释热量和吸热量存在严重不平衡.夏季源侧热泵入口温度最高达到35.01℃,远大于机组额定工况下的25℃,将导致冷凝温度升高,机组性能降低.运行1年土壤平均温度上升1.37℃,不利于热泵机组的长期运行.机组运行10年的地温变化规律如图3所示.机组运行10年后土壤温度达到24.20℃,比初始温度高7.20℃,高于一般可接受的3～4℃的要求.不同工况的模拟计算结果显示,机组能耗和冷却塔运行时间、运行能耗有较大的差异.方案2、3模拟计算结果基本相同,这说明机组下限控制温差对冷却塔运行起关键性作用.一般认为当土壤热不平衡率小于20%时,可以基本满足工程需求.因此,方案2～9均满足要求,以机组能耗和冷却塔能耗之和最小为判定依据,冷却塔容量按100%配置时,方案4最优.冷却塔容量按80%配置时,方案7最优.冷却塔容量按50%配置时,方案9最优.3种容量配置的最优方案经济性及土壤热平衡情况见表9.冷却塔按100%容量配置运行费用最高,而且设备初投资最大,综合经济性能差.冷却塔按80%容量配置,按工况7运行,年运行费为10.72万元,比按冷却塔按50%容量配置,按工况9运行每年节省运行费0.08万元;而按80%容量配置冷却塔,设备初投资要高出1.73万元,静态投资回收期为21.63年.因此,综合设备初投资和运行费用按50%容量配置冷却塔是最为经济合理的方案.冷却塔按50%容量选型,按工况9运行为所有工况经济性能最好的运行方式,运行20年,土壤温度变化曲线如图4所示,源侧热泵入口温度如图5所示.模拟运行结果表明:机组源侧入口和用户侧出口温度,均在合理范围内,模拟结束后的土壤温度为16.80℃,与模拟开始时的土壤温度初值仅相差0.2℃,能够很好的保持土壤热平衡,保证地源热泵运行的经济性.图3 冷却塔不运行时地温变化(a=10)Fig.3 Change of soil temperature when cooling tower is not running(a=10)表9 不同容量配置最优工况经济性比较Tab.9 Economic comparison of optimal operating conditions with different cooling tower capacity说明:电价0.860 1元/k Wh冷却塔容量_______模拟工况编号_____________机组能耗/GJ_________冷却塔能耗/G___________________________________________________________J_能耗合计/GJ_土壤不平衡率/%_年运行费/万元80% 4 447.44 1.26 448.7 7.72 10.72 50% 7 447.45 4.73 452.18 6.9910.80___100%_______________________9_________________________________________ _______________________________________________________________________445.37_ 8.15_453.52_-1.64_10.84图4 50%容量冷却塔与地埋管最佳工况运行土壤温度变化(a=20)Fig.4 Variation of soil temperature under optimal operating condition of 50%cooling tower capacity(a=20)图5 50%容量冷却塔与地埋管最佳工况运行源侧热泵入口温度变化(a=20)Fig.5 Temperature change at the source side inlet of heat pump in the optimal working condition of 50%cooling tower capacity(a=20)5 结论1)TRNSYS动态模拟仿真计算结果表明,冷却塔容量和运行方式对系统运行的经济性和土壤热平衡均具有重要的影响,冷却塔容量配置过大,运行时间过长,也会引起土壤热不平衡问题.2)冷却塔辅助地源热泵系统冷却塔的容量确定要综合考虑经济性和土壤热平衡情况进行优化设计,针对南通某住宅的TRNSYS动态模拟仿真结果按机组需求容量的50%配置能够满足机组长期稳定运行的需要.3)综合初投资和运行费用,冷却塔按50%容量选型,与地埋管串联,冷却塔源侧热泵出口和土壤温度差值大于10℃,而且冷凝器入口温度和当地湿球温度的差值大于等于4℃开启运行,为经济性能最好的方案,20年模拟运行结果表明,模拟结束后土壤温度为16.80℃,与模拟开始时的土壤温度初值仅相差0.2℃,能够很好的保持土壤热平衡,保证地源热泵系统的长期经济运行.参考文献:【相关文献】[1] 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,2007,37(9):131-134.[2] Esen H,Inalli M,Esen M.Numerical and experimental analysis of a horizontal ground-source heat pump system[J].Building and Environment,2007,42:1126-1134.[3] Park H,Lee J S,Kim W,et al.Performance optimization of a hybrid ground source heat pump with the parallel configuration of a ground heat exchanger and a supplementalheat rejecter in the cooling mode[J].International Journal of Refrigeration,2012,35:1537-1546.[4] 王恩宇,贺芳,齐承英.太阳能为地源热泵联合供能系统运行策略研究[J].暖通空调,2012,42(12):83-87.[5] 芦子健,曲世琳,韩金权,等.严寒地区蓄热式太阳能土壤源热泵耦合系统适用性研究[J].建筑科学,2017,33(10):97-103.[6] 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辅助冷却土壤源热泵系统的控制方法
辅助冷却土壤源热泵系统的控制方法[摘要] 在夏季空调负荷大于冬季热负荷的情况下，辅助冷却的土壤源热泵系统能够保证冬夏土壤的放热量和吸热量平衡，降低初投资。
本文阐述了辅助冷却的土壤源热泵系统的控制方法，提出了一种节能的控制方法。
[关键词] 冷却土壤源热泵控制1. 引言土壤源热泵（GCHP）系统是利用土壤作为热源或热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。
根据地下热交换器的布置形式，土壤源热泵系统主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。
土壤源热泵（GCHP）系统的效率比空气源热泵的高，而且不受地下水和地表水资源的限制，只需占用一定的埋管区域，对环境无污染，所用的能量为可再生能量，所以土壤源热泵技术是利用可持续发展能源的新技术，具有明显的节能和环保意义，是一项值得大力推广的新技术。
在许多大型地源热泵的应用中，地下埋管换热器夏季排向埋管附近土壤的热量远大于冬季从土壤中吸取的热量，使冬季和夏季的土壤负荷产生不平衡。
系统长期运行使埋管周围土壤温度升高，夏季埋管内流动介质与周围土壤温差降低，换热能力减弱，影响系统能效比和运行特性。
为满足建筑供冷需要就要增加地下埋管长度以增大换热量，从而在夏季使埋管长度大于实际建筑室内负荷要求的埋管长度。
在这种情况下，为降低初投资、消除机组的性能恶化、节省运行费用，可用辅助冷却地源热泵系统，即夏季采用冷却塔代替一部分埋地盘管向空气散热，冬季不用冷却塔，全部采用地埋管供热。
近几年来国内外对辅助冷却的土壤源热泵的研究主要集中在：复合地源热泵可行性研究，地下埋管换热器模拟及实验研究，辅助冷却系统运行特性模拟及实验研究，辅助冷却系统控制模式研究，复合地源热泵系统经济性分析研究，地下埋管换热器与辅助冷却系统配备性研究等。
不同气候条件，不同土壤特性所得出的最优控制策略也不同，由于增设辅助换热装置，增加了冷却塔和循环水泵的能耗，如果系统不仔细设计，冷却塔风机和冷却水循环水泵的能耗将会占有较大比例。
混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较
混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较摘要：混合地源热泵的使用与应用控制的研究对其发展有重要的意义。
文章就混合式地源热泵的定义，优势及其相关工作原理进行分析，然后就控制策略进行对比分析。
关键词：混合式地源热泵系统；控制策略；对比前言：近年来，地源热泵技术作为一项绿色节能技术，已成为暖通空调行业备受关注的热门课题。
但就系统设计和运行而言，多数工程会面临地下冷热负荷不平衡的问题，最终使系统长期性能受到威胁。
研究人员对此现象进行了各种探讨，并提出了一系列应对措施，其中就包括混合式地源热泵系统。
在此系统中，通常采用冷却塔等装置来进行辅助排热，以调节地下放热与取热的相对平衡。
有关研究也都肯定了混合式地源热泵系统的优势，并提出了一些设计参考建议。
1 地源热泵简介地源热泵系统是指以土壤、地下水和地表水作为热源，由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物系统组成的供热、供冷空调系统。
在制热状态下，热泵机组通过地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，传至冷凝器，冷凝器产生热水通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供暖。
在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功使其进行汽-液转化的循环将热泵机组排放的热量带走，由此产生的冷水，通过循环水泵系统送至空调末端，对室内空间进行供冷。
这种系统利用的是清洁能源，不会对自然界的能量系统造成不利影响，不会产生多余的碳排放，环保效果显著；并且，功能齐全，运行可靠，既可以用来供暖、也可以用来制冷，并且还能提供生活热水。
根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可以分为分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
其中，地埋管地源热泵系统由于对水环境扰动较小，应用的最为广泛，因此，我们接下来的分析将以地埋管地源热泵系统为主。
2 地源热泵系统的工作原理2.1 制冷原理在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽—液转化的循环。
通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。
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办公建筑混合式土壤源热泵系统冷却塔控制策略研究
发表时间：2016-09-05T15:17:27.887Z 来源：《建筑建材装饰》2015年12月上作者：陈学鹏1 徐菱虹2
[导读] 在实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总运行费用最低的策略三；而在不实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总能耗最低的策略四。
陈学鹏1 徐菱虹2
（1.广东省建筑设计研究院，广东广州510000；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074）
摘要：在夏热冬冷地区，由于设计、施工、土壤自身恢复能力等原因，混合式土壤源热泵系统土壤热积累的问题依然存在，优化冷却塔的控制策略是改善系统运行效率的重要手段。
本文以武汉地区某办公楼建筑为研究对象，利用TRNSYS对其采用的混合式土壤源热泵系统冷却塔的控制策略进行模拟研究。
模拟结果表明，夜间开启冷却塔可以缓解土壤热积累问题，但开启时间决定了系统的节能与否；对夜间冷却塔的开启采取某种温差控制时，系统更节能。
关键词：混合式土壤源热泵系统；TRNSYS；冷却塔控制策略；温差控制
前言
在武汉地区的实际工程中，由于设计、施工、土壤自身恢复能力等原因，导致混合式土壤源热泵系统土壤热积累的问题依然存在。
因此，我们有必要对混合式土壤源热泵系统进行优化设计，而优化控制策略是改善混合式土壤源热泵系统运行效率和缓解土壤热积累的重要手段。
目前，国内外学者在混合式土壤源热泵系统控制策略方面的研究已经得出不少有价值的模拟和实验成果。
本文利用TRNSYS模拟了白天温差控制+夜间自然冷却的控制策略和三种白天温差控制+夜间开启冷却塔与地埋管串联为土壤降温的夜间冷却塔控制策略，从土壤平均温度、热泵机组EER和COP、系统能耗和运行费用等多方面对上述模拟结果进行分析，对比各个控制策略的优缺点，得出较为合理的控制策略。
1混合式土壤源热泵系统设计
1.1空调负荷计算及分析
本文选择了位于武汉的一栋典型的办公楼建筑。
该建筑共20层，空调面积约为39000m2。
根据武汉供冷季和供暖季的设定以及办公楼的作息时间，在DeST中建立办公楼建筑模型，模拟计算出办公楼的全年逐时负荷。
办公楼供冷季峰值冷负荷为4627KW，供暖季峰值热负荷为3264KW，峰值冷热负荷比为1.42；供冷季累计冷负荷为2125641KWh，供热季累计热负荷为596001KWh，累计冷热负荷比为3.57。
在实际工程中，冷负荷占优地区办公类建筑的峰值冷热负荷比一般为1.5左右，累计冷热负荷比为3.0左右，本文中所选的办公建筑具有一定代表性。
1.2白天温差控制+夜间自然冷却控制策略设计
白天温差控制+夜间自然冷却控制策略（下文简称策略一）下混合式土壤源热泵系统原理图如图1所示。
图1 策略一下混合式土壤源热泵系统原理图
该系统控制策略与原理为：当制冷季热泵进口水温与室外空气湿球温度差值高于2℃时，阀门1、2、3、4打开，冷却塔开启；当制冷季热泵进口水温与室外空气湿球温度差值低于1.5℃时，阀门1、2、3、4打开，冷却塔关闭；在供热季，阀门2、4打开，阀门1、3关闭，冷却塔不开启。
1.3白天温差控制+夜间冷却塔冷却控制策略设计
白天温差控制+夜间冷却塔冷却控制策略根据夜间冷却塔的控制策略不同，又分别设计为三种控制策略（下文分别表述为策略二、三、四），原理如图2所示。
图2策略二、三、四下混合式土壤源热泵系统原理图
（1）策略二控制原理
该系统策略二的控制原理为：在供热季，阀门2、4打开，阀门1、3、5、6关闭，冷却塔不开启；在制冷季白天，当热泵进口水温与室
外空气湿球温度差值高于2℃的时候，阀门1、2、3、4打开，阀门5、6关闭，冷却塔开启；在制冷季白天，当热泵进口水温与室外空气湿球温度差值低于1.5℃的时候，阀门1、2、3、4打开，阀门5、6关闭，冷却塔关闭；在制冷季凌晨0:00至早上6:00，阀门2、3、5、6开启，阀门1、4关闭，热泵机组停机。
其中阀门5的作用是减少夜间地埋管换热器侧循环系统的总阻力，降低夜间冷却水泵的能耗。
（2）策略三控制原理
策略三与策略二的控制原理相似，唯一的区别是：在夜间0：00到6：00，当从地埋管出来进入板式换热器的水温高于从冷却塔出来进入板式换热器的水温时，开启冷却塔和水泵，否则关闭冷却塔和水泵，该策略的提出是考虑充分利用冷却塔来对土壤降温，是理想化的策略。
（3）策略四控制原理
策略四与策略二的控制原理相似，唯一的区别是：在夜间0：00到6：00，当从地埋管出来进入板式换热器的水温高于从冷却塔出来进入板式换热器的水温1.5℃时，开启冷却塔和水泵，低于1℃时关闭冷却塔和水泵。
该策略的提出是考虑了实际工程中板式换热器的传热温差对换热效率的影响，保证夜间板式换热器两侧进口水温的温差为1.5℃时才开启冷却塔，同时为了避免冷却塔与水泵频繁启停，设定了0.5℃的缓冲温差。
2混合式土壤源热泵系统的TRNSYS模型构建
本系统采用的地埋管换热器为垂直单U管，管材为PE管，U型管内径为25mm，外径为32mm，管间距为100mm，钻孔深度为80m，钻孔直径为200mm，孔间距为6m，采用水作为地埋管换热器循环液。
根据四种控制策略各自选用的TRNSYS模块，对各个模块的参数进行设定，通过宏单元（link）实现各个模块之间的连接，最后完成整个系统的构建。
在全局设定中设置模拟时间步长为1h，系统模拟时间为175200h（20年）。
限于篇幅，仅给出策略三、四的模型图。
图3 策略三和策略四下混合式土壤源热泵系统TRNSYS模型图
3四种控制策略的模拟结果及比较分析
3.1土壤平均温度的对比分析
图4 四种控制策略土壤最高平均温度
模拟结果表明，系统运行20年后策略二、三、四的土壤最高平均温度分别比策略一低1.46℃、1.53℃、1.20℃，策略三的土壤平均温度最低，这是由于该策略下夜间冷却塔充分开启换热，使得土壤温度下降幅度最大。
3.2热泵机组EER和COP的对比分析
模拟结果表明，各个策略下热泵机组制冷季平均EER呈逐年下降的趋势，且下降的幅度逐年减少。
系统运行20年后，策略二、三、四的热泵机组制冷季平均EER分别比策略一高0.50、0.51、0.42；热泵机组供热季平均COP分别比策略一低了0.08、0.09、0.07。
土壤平均温度的上升使得热泵进口水温上升，从而使得制冷季热泵机组的EER下降而供热季的COP上升。
3.3系统能耗的对比分析
表1 四种控制策略系统运行20年总能耗统计（KWh）
模拟结果表明，系统运行20年总能耗大到小分别为策略二、一、三、四。
以上能耗统计说明了夜间开启冷却塔在合理选择控制策略的情况下是可以比夜间未开启冷却塔更节能的。
策略四考虑了板式换热器的传热温差而设定板式换热器两侧进口水温高于1.5℃才开启冷却塔和水泵为土壤降温，虽然没有充分利用夜间冷却塔的散热作用，但是避免了冷却塔和水泵在夜间消耗过多的电能，所以策略四成为最节能的控制策略也是可以理解的。
3.4考虑峰谷电价的系统运行费用的对比分析
笔者从国家电网湖北省电力公司了解到，该类建筑峰谷电价政策为：高峰时段1.7694元/KWh，平价时段0.9830元/KWh，低谷时段0.47184元/KWh。
就系统运行20年的总费用而言，策略二、三、四比策略一分别节约运行费用93.70万元、105.66万元、90.11万元。
由此可见，峰谷电价对本文夜间开启冷却塔的策略具有较大的优势。
由于策略三是策略二的进一步优化，所以策略三是夜间控制冷却塔较为理想的控制策略。
4结语
本文针对冷负荷占优地区的典型城市武汉，选择某办公建筑为研究对象，对其采用的混合式土壤源热泵系统冷却塔的控制策略进行研究。
对设定的四种冷却塔控制策略，利用TRNSYS模拟系统运行20年，得出以下结论：
（1）采用策略一时，土壤热积累的问题依然存在，土壤的平均温度逐年上升，热泵机组的运行效率下降。
（2）采用策略二时，土壤热积累的问题得到缓解，但是由于夜间冷却塔和水泵能耗较大，且存在浪费电能还给土壤带入热量的情况，系统的总能耗比策略一还大。
（3）采用策略三和策略四时，土壤热积累的问题得到进一步缓解，系统的总能耗降低。
（4）采用策略四更节能，而策略三在其他方面均表现出其优越性，特别是考虑峰谷电价时策略三更能节省运行费用。
（5）在实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总运行费用最低的策略三；而在不实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总能耗最低的策略四。
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