复合式地源热泵运行控制策略比较

乔卫来 陈九法

1中国航空规划建设发展有限公司

2东南大学能源与环境学院

复合式地源热泵运行控制策略比较

乔卫来1陈九法2

1中国航空规划建设发展有限公司

2东南大学能源与环境学院

以南京某复合式地源热泵系统为研究对象，通过能耗模拟软件Energyplus分析其天棚辐射空调系统的能耗，计算出地埋管侧全年累计散热量与取热量之比为3.97:1。该项目采用复合式的地源热泵系统，本文分析辅助散热设备运行控制策略以保证地源热泵系统可持续高效运行。比较三种控制策略得出：温差控制不适合散热量与取热量严重失衡的系统，因其控制温差不易确定，辅助散热设备启停频繁，且难以保证系统多年运行地下热平衡；热泵进口水温控制是保证地下热平衡的有效措施，但是需要选择合理的控制参数值，辅助散热设备启动较频繁；定时开启控制不仅能够保证系统持续高效运行，而且控制策略易于实施。

地源热泵控制策略数值模拟热平衡

1 工程介绍

地源热泵系统能否持续、有效地运行，主要取决于地埋管换热器与周围土壤的累计换热量是否处于平衡状态[1]。

以南京某住宅建筑为例，项目建筑面积10304m2，空调面积9530m2，建筑体形系数0.192。空调系统形式为天棚辐射加新风系统，采用1700组地下换热器为空调系统冷热源。

本文基于建筑逐时冷热负荷、热泵机组及泵与风机的功率[2]，通过能耗模拟软件Energyplus计算该建筑能耗，计算得出地埋管侧换热量：夏季峰值散热量274.45kW，冬季极值取热量84.66kW。全年累计总散热量554,641kWh，总取热量139,563kWh，地埋管侧全年累计散热取热比值3.97:1。

使用用户自定义函数法将地埋管侧逐时换热量导入Fluent管群模型，从而对地埋管群进行模拟[3]。将模拟的地下温度及地埋管出水温度与监测数据比较，确保模型参数及边界条件设定合理可靠。同时对地埋管群模拟，研究地埋管换热器的优化设计与系统的运行控制策略，使地埋管换热器与周围土壤换热处于基本平衡状态，达到地源热泵持续有效运行。

2 地埋管群数值模拟

由热响应实验分析：岩土的导热系数为1.84W/ (m·K)，密度为1800kg/m3，比热容为1400kJ/(kg·K)；回填材料导热系数为1.4W/(m·K)，密度为1350kg/m3，比热容为1400kJ/(kg·K)；高密度聚乙烯管导热系数为0.4W/(m·K)，密度为 950kg/m3，比热容为 1600kJ/ (kg·K)；地埋管采用高密度聚乙烯管，管外径均为32mm，内径26mm，地埋管有效埋深均为55m。

采用Fluent软件对该地源热泵系统垂直地埋管全年运行进行数值模拟并作如下假定：

1）不考虑岩土下面的渗流影响，地下岩土为均匀介质，初始平均温度为17.2℃。

2）采用三维非稳态模拟，计算地下温度变化趋势时，设定时间步长为1h。

3）运行时管内流速恒定为0.5m/s。

实际工程中，总共埋设地埋管换热器1700组，钻孔成正方形排列，管间距均为5m。基于假定条件，从地埋管群中取出其中正四边形内4×4地埋管，则四边的竖直边界条件为绝热面，如图1。

图1 大面积地埋管模型及地埋管群三维模型

为验证上述假定的可取性，首先将地埋管群的数值模拟结果与该地源热泵系统运行近三年土壤实测温度对比，如图2。模拟值与实测值温度波动趋势以年为周期的波幅基本一致，差别在于波峰值（实测的波峰值约高于模拟值0.5℃），因此数值模型的假定是合理的。从实测土壤温度可以看出，土壤温度随着地源热泵的连续运行，温度越来越高，这是由于地源热泵夏季向土壤中的散热量大于冬季从土壤中吸收的热量，造成热堆积所致。因此地源热泵系统想长期有效地运行，可采用复合式地源热泵系统。

图2 某地源热泵三年运行地下温度监测值与模拟值

为分析地埋管周围温度逐年变化，在地埋管周围不同距离设置温度监测点，各监测点的具体位置如图3。模拟地源热泵连续运行8年，地下25m处各监测点温度逐年变化趋势，如图4。从模拟的结果可以看出：距离钻孔0.5m位置处年平均温度总共升高12.4℃，夏季运行时该位置地下温度为34.5℃，模拟得到地埋管出水温度达到44.0℃。地下岩土年平均温度逐年上升，升高幅度约为1.9℃/年。地下岩土温度的年平均温度升高，会导致机组在夏季制冷运行时冷凝温度升高，降低其制冷运行的性能系数。整个地埋孔间土壤的温度场如图5所示。

图3 监测点位置示意图

图4 地埋管群运行八年各监测点温度变化趋势（时间步长12h）

图5 地埋管运行八年地下温度场（长度单位：m）

分析可知，地埋管侧与周围土壤的换热量对土壤的温度和地源热泵运行影响很大。因此，在地源热泵系统设计时，需要对建筑进行全年逐时负荷计算，根据地埋管热响应测试结果，设计合理的地埋管形式、数量及间距等，根据地下换热量的情况，合理采用冷热源系统（如带辅助散热设备的复合式地源热泵系统或纯地源热泵系统），以及优化的控制策略。

3 运行控制策略比较

本文采用数值模拟的方法研究动态负荷下温差控制、热泵进水温度控制以及冷却塔开启时间控制[4]这三类常用的控制方式对复合式地源热泵系统运行的效率影响。

温差控制是根据热泵进口流体温度与环境空气干球温度之差进行控制，当其差值超过设定值时，启动冷却塔进行辅助散热。本文假定：每年6月1日至10月1日，当热泵机组的进水温度高于环境干球温度2℃时，开启冷却塔，使得冷却出水比环境干球温差降到1.5℃。

如图6，采用温差控制对地埋管群进行数值模拟，模拟系统运行四年，各监测点的位置详见图4。分析图6可知，地埋管进水温度逐年最高值分别为33.71℃、34.45℃、34.98℃和35.35℃，逐年升高0.5℃左右；距钻孔0.5m处地下岩土逐年温度最高值分别为21.65℃、22.69℃、23.45℃和24.00℃；相邻埋管中心处地下岩土逐年温度最高值分别为19.99℃、21.18℃、22.05℃和22.68℃。因此采用温差控制，无论是地下岩土年平均温度还是地埋管进出水温度均逐年上升，并且需要根据特定的地源热泵系统，选择合适的控制温差。

Yavuzturk和Spitler研究[4]表明，按照热泵机组进口温度高于35.8℃开启冷却塔。但是对于散热与取热不平衡工程，温度设定过高，使得辅助散热设备第一年的运行时间比较短，随着地下热堆积的加剧，后一年总比前一年运行时间长。另外，冷却塔承担最大制冷量逐年升高。因此从系统可持续性运行的角度上看，应该根据具体系统设定合理的冷却塔启动温度。在此设定热泵机组进水温度高于32℃即开启冷却塔。

如图7为控制热泵机组最高进口流体温度小于32℃时，运行四年模拟结果，各监测点的位置详见图4。分析图7可知，地埋管进水温度逐年最高值分别为34.65℃、35.70℃、35.76℃和35.31℃；距钻孔0.5m处地下岩土逐年温度最高值分别为 22.69℃、24.58℃、26.09℃和27.26℃；相邻埋管中心处地下岩土逐年温度最高值分别为20.76℃、22.88℃、24.64℃和26.01℃。

图7 热泵进水温度控制（时间步长1h）

与控制温差策略相比，热泵进水温度控制策略虽然前三年系统运行效率略低，但在运行几年之后能达到平衡状态，不会出现地下年平均温度持续上升现象以及热堆积使得系统无法运行的状况。因此，该控制策略能够保证地源热泵可持续性运行，但是要保证系统高效运行必须选择合适的热泵进水温度控制值。

定时开启控制是考虑到地埋管群间歇运行，有利于抵消土壤因长期运行所产生的热积累而造成的温升。考虑到夜间室外气温比较低，该控制策略在夜间开启冷却塔。由于本工程地埋管侧全年累计散热取热量严重不平衡，因此可以延长冷却塔的运行时间。本文比较了两种开启时间控制效果，分别设定冷却塔开启时间为6月1日至10月1日每天10:00~22:00和0:00~12:00。

如图8，冷却塔开启时间为10:00~22:00，采用非稳态模拟的方法研究系统运行四年各个监测点的温度变化。地埋管进水温度逐年最高值分别为29.88℃、30.73℃、31.52℃和32.25℃，相对于前面研究的两种控制策略，出水温度降低约2～3℃；距钻孔0.5m处地下岩土逐年温度最高值分别为20.45℃、21.36℃、22.20℃和22.99℃；相邻埋管中心处地下岩土逐年温度最高值分别为19.40℃、20.32℃、21.16℃和21.95℃。相对于温差控制，地下年平均温度升高减缓约13%，并且辅助散热设备不会出现频繁开启情况。因此，合理的定时开启控制是保证系统可持续性运行的有效措施，同样，开启时间段及时长的选择是关键。

图8 定时开启控制策略1（时间步长1h）

另外比较定时开启控制策略2，即开启时间为0:00～12:00。如图9为采用非稳态模拟的方法研究系统运行四年各个监测点的温度变化，时间步长为1h。由图9可知，地埋管进水温度逐年最高值分别为29.23℃、30.01℃、30.74℃和31.42℃；距钻孔0.5m处地下岩土逐年温度最高值分别为 20.33℃、21.17℃、21.95℃和22.67℃；相邻埋管中心处地下岩土逐年温度最高值分别为19.33℃、20.18℃、20.96℃和21.69℃。相对于定时开启控制策略1，策略2防止地下热堆积效果更为显著。

图9 定时开启控制策略2（时间步长1h）

4 结论

以南京某复合式地源热泵系统为研究对象，根据空调系统的能耗特性，采用数值模拟的方法，比较了辅助散热设备三种运行控制策略对热泵系统的影响。

1）地源热泵系统设计要考虑土壤的累计冷热量的平衡，否则会产生冷堆积或热堆积，使地源热泵系统无法连续运行。

2）针对复合式地源热泵系统，不同的控制策略对地埋管侧全年散热与取热平衡、系统运行效率和辅助散热设备开启频率等影响很大。采用地源热泵进水温度控制前三年热泵机组制冷效率不如温差控制，但在运行一定时间后能达到平衡状态，而不会出现热堆积。

3）对于散热与取热比较大的系统，应采用定时开启控制策略，相对于温差控制及热泵进口温度控制对防止地下热堆积更有效，并且地埋管群间歇运行下，地埋管换热量相对较大。

4）根据不同项目负荷特点，辅助散热设备运行控制方式应相应地调整，如采用定时开启控制方式时，为避免白天运行热泵进水温度过高，可辅以温度控制，降低进水温度。

[1] 马宏权,龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调, 2009,39(1):102-106

[2] 陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[3] 舒海文,端木琳,谷彦新,等.地源热泵竖直地埋管系统设计的简明算法模型研究[J].暖通空调,2006,36(12):74-77

[4] Cenk Yavuzturk,Jeffrey D Spitler.Comparative study of operatin -g and control strategies for Hybrid Ground-Source Heat Pump Systems using a short time step simulation model[J].ASHRAE Transactions,2000,106:192-195

A Study on Hybrid Ground Source Heat Pump System Control Strategy

QIAO Wei-lai1,CHEN Jiu-fa2

1 China Aviation Planning and Construction Development Co.,Ltd.
2 School of Energy and Environment,Southeast University

A Hybrid Ground Source Heat Pump system (HGSHPs)in Nanjing is researched.The all-energy analysis simulation software Energyplus is used to analyze ceiling radiation air conditioning system energy performance.By analyzing the energy simulation results,the ratio of the heat dissipation and absorption to the ground by the ground source heat exchanger is 3.97:1 in one year.So auxiliary cooling equipment is used and this paper tries to find the right control strategy and parameters to ensure system sustainable and operated with high efficiency.Three control strategies for HGSHPs sustainable operation are compared.The results show that:controlled by temperature difference does not suit for heat balance control,for the temperature difference is difficult to determine,and the auxiliary cooling equipment starts and stops frequently;controlled by the heat pump inlet water temperature insure the heat balance,but reasonable control parameters is important;controlled by open timing can not only make sure the heat balance,it can make sure the HGSHPs operated with high efficiency.

ground source heat pump,control strategy,numerical simulation,heat balance

1003-0344（2015）04-047-4

2014-5-28

乔卫来（1985～），男，硕士，工程师；北京市西城区德外大街12号（100120）；E-mail:weilaiqiao@163.com