基于冷熱源輔助的地源熱泵系統(tǒng)仿真及運行控制策略研究.pdf

1、地源熱泵技術(shù)由于其高效節(jié)能而逐漸得到廣泛應(yīng)用。但該技術(shù)在我國大型商業(yè)建筑應(yīng)用案例并不多，主要原因是大型商業(yè)建筑能源需求大，需要鉆孔個數(shù)多，而大型商業(yè)建筑周邊可利用埋管區(qū)域卻很少。本文針對上述特點，以濟(jì)南某一商業(yè)建筑為案例，提出了常規(guī)冷水機(jī)組供冷+市政城市管網(wǎng)集中供熱系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和有冷水機(jī)組與集中供熱輔助的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)三個方案的運行方式和控制形式，在軟件TRNSYS中相應(yīng)的搭建三個不同系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，并對三種

2、方案的機(jī)組出入口水溫、地下土壤平均溫度及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。
　　首先用DeST搭建模型輸出該實際工程的建筑全年逐時負(fù)荷，然后用軟件地?zé)嶂窃O(shè)計計算單一地源熱泵（Ground Source Heat Pump，簡稱GSHP）系統(tǒng)及復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器，之后在TRNSY中搭建的仿真模型中設(shè)定各個部件的參數(shù)，其中埋管區(qū)域平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.872W/m·℃，平均容積比熱容1920 kJ/m3·℃，地下土壤初始溫度為16.

3、9℃。模擬三個方案中機(jī)組的地源側(cè)和空調(diào)側(cè)進(jìn)出口水溫及單一地源熱泵系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)地下土壤溫度平均值在系統(tǒng)運行一年8760 h和二十年175200 h的逐時變化后，得出方案二單一地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過一年的運行后土壤溫度均值升至18.48℃，運行二十年后土壤溫度均值升至37.52℃；而復(fù)合系統(tǒng)分別為17.02℃和18.23℃。對比分析方案二、方案三的運行數(shù)據(jù)，可以看出系統(tǒng)運行二十年后方案二的土壤平均溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，對夏季向地下土壤釋放熱量會產(chǎn)生

4、極其不利的影響，地下冷熱嚴(yán)重不平衡。在使用年限內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)循環(huán)介質(zhì)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計溫度的范圍，不能滿足空調(diào)要求，與地源側(cè)循環(huán)介質(zhì)的溫度都在設(shè)計溫度的范圍內(nèi)且土壤溫度升幅不大的的復(fù)合系統(tǒng)相比不合理。
　　通過分析及比較三個系統(tǒng)的初投資和運行維護(hù)費用，可以看出，地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的初投資費用為288元/㎡，運行維護(hù)費用為21.5元/㎡（由于該項目實際空調(diào)面積僅占建筑總面積的70％左右，因此該項目實際運行等費用低于常規(guī)公共建筑

5、地源熱泵系統(tǒng)的運行費用），綜合統(tǒng)計可以得到方案三復(fù)合系統(tǒng)性價比較高的結(jié)論。
　　用TRNOPT對選定的方案三復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計算，找到最優(yōu)控制策略為：
　?。?）夏季熱泵出口流體溫度高于33℃時，開啟冷卻塔來輔助散熱；
　?。?）冬季熱泵出口流體溫度低于4℃時，開啟板式換熱器，利用市政管網(wǎng)集中供熱來輔助供暖；
　　在本次優(yōu)化控制模擬中，熱泵承擔(dān)建筑冷負(fù)荷的42%，多出的冷負(fù)荷由冷水機(jī)組承擔(dān)；熱泵承擔(dān)建筑熱負(fù)荷的8

6、3.5%，多出的熱負(fù)荷由城市熱網(wǎng)承擔(dān)。
　　在上述控制策略下該復(fù)合系統(tǒng)運行二十年的綜合費用（含初投資及二十年的運行費用）為717元/㎡，與之前方案三初定的控制策略相比，綜合費用節(jié)省了15萬元。
　　模擬研究結(jié)果表明：基于冷水機(jī)組與集中供熱輔助的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度均值在與運行周期內(nèi)較為平穩(wěn)，說明在單一的地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入輔助散熱的冷卻塔后，能極大地降低傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)夏季釋熱遠(yuǎn)多與冬季吸熱造成的地下冷熱不平衡的