辅助冷却的复合式地源热泵系统性能分析

杨兴林，杨欢欢，张礼松，刘明远

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

(2.江西中船航海仪器有限公司，江西九江332000)

(3.中国人民解放军92337部队，辽宁大连116023)

辅助冷却的复合式地源热泵系统性能分析

杨兴林1，杨欢欢1，张礼松2，刘明远3

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

(2.江西中船航海仪器有限公司，江西九江332000)

(3.中国人民解放军92337部队，辽宁大连116023)

文中提出两种辅助冷却的复合式地源热泵系统，以江南镇江地区一栋典型办公大楼为例，利用TRNSYS软件建立复合式地源热泵系统仿真模型，并与传统地源热泵系统的运行性能及能耗进行对比分析，结果表明:设有冷水机组的辅助冷却复合式地源热泵系统的土壤温升更小、运行更稳定高效、系统能耗更低、具有更好的经济性.

复合式地源热泵系统;性能系数;能耗

地源热泵系统以其环保、高效节能、环境与经济效益显著、系统运行稳定、能源可再生利用、维护量小等优点而得以推广［1］.随着地源热泵技术的应用范围越来越广泛，系统问题逐渐显现.在夏季通过地埋管换热器向地下岩土的放热量与在冬季通过地埋管换热器从地下岩土的取热量相差过大，导致地埋管换热器在运行数年后，地下岩土的平均温度将逐年升高或降低，从而影响地埋管周围土壤温度场的恢复，导致地源热泵空调系统性能不断下降，甚至不能运行.因此需要在传统地源热泵系统中增加辅助散热装置或辅助加热装置，平衡地埋管换热器的换热负荷，使地下岩土平均温度维持在有利于地源热泵系统高效节能运行的范围内，即采用复合式地源热泵空调系统［2-3］.

1 建筑负荷及系统设计

选取江南地区镇江的一栋典型办公大楼为研究对象，共12层，占地面积1 715 m2，建筑总面积10 296 m2.利用TRNSYS［4］软件计算全年逐时动态负荷，获得全年累计冷负荷为2 381 845 kW，全年累计热负荷814 894 kW，全年累计冷热负荷比为2.92∶1.针对镇江地区的气候特征与该办公建筑的负荷特点，设计地源热泵系统时应高度重视热平衡问题，因此文中提出了两种辅助冷却的复合式地源热泵系统.

第一种是联合冷却塔的复合式地源热泵系统［5］，该系统是在地源热泵系统的基础上添加了辅助散热设备——冷却塔，主要由冷却塔、地埋管、热泵机组3个部分组成.冷却塔只用于制冷工况，机组流出的高温冷却水先由冷却塔冷却，随后经初步冷却后的冷却水通过地埋管换热器进行循环排热.冬季工况时，地埋管换热器直接与机组中循环的流体介质进行换热.图1给出了该复合地源热泵系统原理.

图1 地源热泵与冷却塔复合式系统原理Fig.1 Principle of the hybrid system of ground source heat pump and cooling tower

该系统的优点是:① 室外湿球温度较低，冷却塔可以独立运行，充分发挥冷却塔的优势;②冷却塔的独立运行使地埋管周围能够及时散热，土壤温度不会升高;③地埋管周围土壤温度在供冷季后期时会升高，从而降低系统的效率，此时冷却塔独立运行可以让系统整体达到最优［6］.

第二种是联合冷水机组的复合式地源热泵系统［7］，该系统是在地源热泵的基础上增加了辅助冷源——冷水机组和辅助散热设备——冷却塔，其主要由地埋管、热泵机组、冷水机组、冷却塔等组成.冷水机组联合地源热泵的复合式系统中，地源热泵供冷供热系统与常规冷水机组供冷系统在室内侧连接在一起，但两者独立运行，在夏季，可同时运行两系统为室内供冷;在冬季，仅采用地源热泵系统为室内供热.由于管网阻抗稳定，因此室外侧系统运行也较为稳定.系统中地埋管换热器和冷却塔均能单独运行，所以即使地埋管换热器间歇运行仍可实现空调系统的连续运行，从而使土壤温度得到恢复，更有利于系统的节能.其系统原理如图2.

图2 地源热泵与冷水机组复合式系统原理Fig.2 Principle of the hybrid ground source heat pump system and water chiller

该系统的优点是:① 辅助冷却塔与地埋管系统的并联连接方式较优;② 将地埋管和常规冷却塔空调系统独立设置，可以减小热泵机组冷凝器设计温度与冷却塔进出水温度之间的差异;③ 系统中不再需要使用板式换热器，从而减少了热量损失和初投资［8］.

2 机组选型及控制策略

根据计算的建筑负荷，对系统设备和组件进行设计计算选型［9］.地埋管总数为535个，总长度为51 517.2 m，每米管长换热量为61.9 W/m.热泵机组采用环保制冷剂为HFC134a的半封闭式双螺杆热泵机组，制冷量为2 756 kW，输入功率为557 kW，蒸发器流量520 m3/h，冷凝器流量580 m3/h，制热量为2 732 kW，输入功率为550 kW，蒸发器流量580 m3/h，冷凝器流量520 m3/h，通过与压缩机的减载系数相匹配，可实现10%～100%内能量的无级调节.选用型号为ZXZ-N300T的冷却塔，冷却能力为 1.5×106kcal/h.选用型号为 LSBLX1600T的冷水机组，制冷量为1 600 kW，功率为199 kW.

本工程是冷负荷远大于热负荷的办公大楼，主要特点是白天使用率比较高，针对这一特点采取不同的控制策略.对于热泵机组，按照机组进水温度控制，在夏季制冷季节，机组进水温度低于7℃时，关闭热泵机组，机组进水温度高于12℃，开启热泵机组;在冬季制热季节，机组进水温度低于40℃时，关闭热泵机组，机组进水温度高于45℃，开启热泵机组.对于冷却塔，文中则采取时间上的控制方法，夏季下班时间18:00至第二天上班时间8:00开启冷却塔，开始向土壤进行蓄冷.对于冷水机组，根据建筑冷热负荷比2.92∶1，按照负荷率50%分别分配给冷水机组和地源热泵机组.

3 仿真模拟

利用TRNSYS软件对复合式地源热泵系统的设计和模拟过程中，主要有以下几个关键模块:数据导入部件、水-水热泵机组、地埋管换热器、冷却塔、冷水机组、水泵、控制系统、图形显示部件和结果输出部件等模块.图3～5分别给出了常规地源热泵系统仿真模型、地源热泵与冷却塔复合式系统仿真模型、地源热泵与冷水机组复合式系统仿真模型.由于该办公大楼为大型建筑，分区多，末端连接复杂，控制较多，系统较难收敛，因此文中主要研究该建筑对应热泵系统的长期运行参数，故将动态负荷输入至负荷处理模块Type682中处理.

图3 常规地源热泵系统仿真模型Fig.3 Model of the conventional ground source heat pump system

图4 地源热泵与冷却塔复合式系统仿真模型Fig.4 Model of the hybrid system of ground source heat pump and cooling tower

图5 地源热泵与冷水机组复合式系统仿真模型Fig.5 Model of the hybrid ground source heat pump system and water chiller

4 结果对比分析

分别对常规地源热泵系统(Only-GSHP系统)、冷却塔与地源热泵的复合式系统(CT-GSHP系统)以及冷水机组和地源热泵的复合式系统(WCHP-GSHP系统)进行为期10 a的模拟，对其运行性能及能耗进行分析.

4.1 土壤热平衡分析

表1给出了3种系统的土壤温升情况，土壤平均温升由大到小依次为Only-GSHP系统、CT-GSHP系统、WCHP-GSHP系统，这是由于一方面冷却塔辅助散热;另一方面冷水机组承担了部分负荷，地埋管换热器承担的热量越少，导致土壤的温升越小.地源热泵系统运行10 a后，3个系统的土壤温升分别为27.21℃，4.17℃及2.24℃，结果说明3种系统都存在一定程度的温升，但地源热泵加冷却塔加冷水机组系统的温度上升值是可以接受的.地下土壤有吸热和散热的能力，若在热泵的一个运行年内，从土壤中吸收的热量与排至土壤的热量的差值不超过土壤的自动恢复能力，土壤温度将不会大范围的偏离设置地源热泵系统前的土壤初始温度，造成土壤热堆积或冷坑现象.

表1 3种系统的土壤温升表Table 1 Soil temperaturesrises with three kinds of systems

4.2 系统运行性能分析

从图6中可以看出，3种系统的制热工况下平均性能系数COP增加，但是制冷工况下平均性能系数COP降低.对于CT-GSHP系统，单纯考虑系统运行COP时，其制热效率COP最低，这是由于随着冷却塔等设备的增加以及土壤热量平衡问题导致其能耗增加.WCHP-GSHP系统平均性能COP能保持较高的数值，这是由于利用冷水分担一部分负荷，且使得土壤处于一定的热平衡环境下，促使热泵机组处于高效的运行环境;随着系统的持续运行，系统的平均COP降低.Only-GSHP系统的COP从第1年的2.93运行10 a后降至2.53，这是土壤热不平衡越来越严峻，土壤热堆积问题严重从而大幅度降低制冷工况下系统的运行性能，而CT-GSHP系统维持在2.94左右，WCHP-GSHP系统维持在3.34左右，因此可以看出WCHP-GSHP系统具有较高的COP以及稳定性.

图63种系统的地源热泵系统COPFig.6 COP of three kinds of ground heat pump systems

4.3 系统能耗分析

文中的系统能耗包括热泵机组的能耗、冷却塔的能耗、冷水机组的能耗，冷冻水泵的能耗、冷却水泵的能耗以及冷却塔泵的能耗，因为同一个建筑物内的风机能耗基本上是相等的，所以在进行能耗对比分析时刻不必考虑风机能耗.

从图7a)和b)中可以看出地源热泵系统冬夏季的逐年运行能耗分别与热泵机组冬夏季逐年运行能耗变化规律相似，但是变化幅度不同，全年的系统能耗与全年的机组能耗变化规律相似，从图7c)中可看出，3种系统平均全年累计运行能耗(E)分别为5.5×106kW·h，4.6×106kW·h和2.8×106kW·h.

图7 3种地源热泵系统能耗Fig.7 Energy consumption of three kinds of ground source heat pump systems

4.4 经济性分析

系统的初投资主要包括地埋管和机组的费用.地埋管的费用主要包括钻孔费用和管材费，平均为100元/m.机组主要是热泵机组、冷却塔、冷水机组，其他零部件忽略不计.由于文中3个系统的地埋管数量一样，所以在初投资方面，联合冷水机组运行的复合式地源热泵系统比只联合冷却塔运行的复合式热泵系统多出冷水机组的价格.

系统的运行费用主要是机组和系统的能耗(表2)，只联合冷却塔的复合式地源热泵系统运行费用比传统的节省16.27%，联合冷水机组的复合式地源热泵系统运行费用比传统的节省49.05%的费用.

表2 3种系统运行费用Table 2 Operational costs of three kinds of systems

初投资和运行费用是两个不同性质的经济指标，不能全面反映各方案经济性，要全面比较、评价各方案的经济性就需要一个综合的经济指标.文中通过计算各方案初投资及寿命周期内各年的运行费用，运用动态费用年值AC法对各方案的经济性进行比较和分析:

式中:i为银行利率，取10%;n为使用寿命，各个方案中地源热泵系统皆取50 a，锅炉系统取10 a;C0为初投资，元;C为年运行费用，元.

表3为3种系统的经济评价.从表中可看出，联合冷水机组的复合式地源热泵系统的动态费用年值最少，比传统的减少41.52%，最具经济性.

表3 3种系统经济评价Table 3 Economic analysis for three kinds of systems

5 结论

文中提出了联合冷却塔运行的复合式地源热泵系统和联合冷水机组运行的复合式地源热泵系统，以江南镇江地区一栋典型办公大楼为例，利用TRNSYS软件建立复合式地源热泵系统仿真模型，并与传统地源热泵系统的运行性能及能耗进行对比分析，结论如下:

1)系统运行10 a后，3种系统的土壤温升依次为27.21℃，4.17℃及2.24℃，都存在一定的土壤热失衡现象，尤其是传统地源热泵系统土壤热失衡现象尤为严重，不能保证机组的正常运行条件，说明在冷负荷占主导的建筑需要辅助冷却散热装置.

2)长期运行后，传统地源热泵系统COP由2.78降至2.56，联合冷却塔运行的复合式地源热泵系统维持在2.94左右，联合冷水机组运行的复合式地源热泵系统维持在3.34左右;可以看出联合冷水机组运行的复合式地源热泵系统具有较高的COP以及稳定性.

3)3种系统平均全年累计运行能耗分别为5.5×106kW·h，4.6×106kW·h和2.8×106kW·h.由于联合冷水机组运行的复合式地源热泵系统增加了冷水机组，按照50%的负荷率分配给热泵机组和冷水机组，大大降低了能耗，可见该系统运行能耗最低且比较稳定.

4)从初投资和年运行费用上来看，辅助冷水机组的复合式地源热泵系统的动态费用年值最少，有更好的经济性，该系统有更好的推广价值和应用前景.

References)

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［6］ 罗敏.辅助冷却塔复合式地源热泵系统关键技术问题研究［D］.重庆:重庆大学，2013:24-26.

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［8］Scott Hackel，Amanda Pertzborn.Effective design and operation of hybrid ground-source heat pumps:three case studies［J］.Energy and Buildings，2013，43 (12):3497-3504.

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［10］ 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，2011:8-9.

(责任编辑:曹 莉)

Performance analysis on hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling

Yang Xinglin1，Yang Huanhuan1，Zhang Lisong2，Liu Mingyuan3
(1.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)
(2.Jiangxi CSSC Nautical Instrument Ltd.Co.，Jiujiang Jiangxi 332000，China)
(3.No.92337 Unit of the Chinese People's Liberation Army，Dalian Liaoning 116023，China)

Two kinds of hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling are put forward.A typical office building in Zhenjiang is taken as an example to build the model for hybrid ground source heat pump system using the TRNSYS software.The performance and energy consumption of the new hybrid ground source heat pump system are compared with those of the traditional ground source heat pump system.The results show that hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling equipped with water chillers have lower soil temperature rises，more stable and efficient performance，lower system energy consumption and better economy.

HGSHP;coefficient of performance; energy consumption

U664.86

A

1673-4807(2015)06-0540-06

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.007

2015-06-29

杨兴林(1964—)，男，教授，博士，研究方向为新型空调系统设计及性能.E-maill:hcyangxl2010@163.com

杨兴林，杨欢欢，张礼松，等.辅助冷却的复合式地源热泵系统性能分析［J］.江苏科技大学学报(自然科学版)，2015，29(16):540-545.