夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的研究

顾娟，陈剑波，胡毛毛

（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）

夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的研究

顾娟，陈剑波*，胡毛毛

（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）

以夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统为研究对象，提出3种运行控制策略，并通过基于TRNSYS的仿真模型的构建，在不同控制策略（时间控制、温度控制、温差控制）设定值下对仿真模型进行模拟，分析系统年平均能耗以及10年末土壤及地埋管进出水温度；优先运行3 h、室外空气干球温度为33 ℃、温差为5 ℃时的策略是最优的系统控制策略，为实际工程应用提供运行控制方法和指导。

地源热泵；空气源热泵；控制策略；系统模拟

0 引言

近年来，夏热冬冷地区的建筑供暖需求问题日益显著[1]。地源热泵系统与传统供暖系统相比，可实现能源、经济、环境的协调发展[2-7]。然而，单一地使用地源热泵会造成地下热堆积问题，因此复合式地源热泵应运而生。

1995年，美国采暖学会首次阐述复合式地源热泵系统应用在大型商用和公共建筑中具有优势[8]。2003年，曲云霞等[9]研究了地源热泵系统辅助散热设备的形式和设计方法，提出当地下换热器的出水温度超过土壤温度 20 ℃时，宜开启辅助散热设备。2009年，同济大学的蔡晶晶等[10]针对冷却塔辅助冷却形式，讨论了不同的设计方法和不同的控制策略。2010年，西班牙PARDO等[11]研究显示，采用空气源热泵、地源热泵以及储热器的耦合系统作为建筑空调系统的配置，其能耗只占单纯采用空气源热泵的60%，占单纯采用地源热泵的 82%。2012年，清华大学李先庭等[12]提出利用季节性蓄存环境空气热能的新型地源热泵供热空调系统，结果显示，该系统能够维持土壤的热平衡，且系统节能率达22.13%。

现阶段的复合式地源热泵系统主要是通过增加辅助散热装置实现维持土壤热平衡的目的，但这些辅助装置的增加会引起相应的循环、动力设备的增加，系统比较复杂[13]。针对这种情况，从维护土壤热平衡、降低系统初投资、提高系统的运行效率以及增强系统的可控性等方面考虑，采用地源热泵联合其他类型热泵共同承担建筑物空调需求策略。本文将介绍一种新型的地源与空气源热泵联合运行空调系统在夏热冬冷地区的应用。

运行策略对复合式地源热泵系统的实际运行效果、运行特性有着至关重要的作用。国内外对于复合式地源热泵系统运行策略的研究主要集中在冷却塔与地埋管复合的形式。

YAVUZTURK等[14]在TRNSYS模拟软件平台的基础上，利用g-function地下埋管模型，用5种不同的控制策略对某复合式地源热泵系统进行长达20年的模拟。2007年，天津大学的王华军等[15]运用VB程序语言建立了基于圆柱热源理论的评价模型。2008年，香港理工大学的满意[16]对香港地区某办公楼的复合式地源热泵系统进行了模拟，结果表明采用设定进入机组水温超过环境湿球温度3 ℃时开启冷却塔，运行效果最好。2011年，同济大学的花莉等[17]对4种策略下的复合式地源热泵系统运行费用进行了比较，基于温差控制的策略运行费用最低。

目前，地源与空气源热泵联合空调系统的研究还较少，且缺乏对于该系统长时间实测数据的研究。研究系统运行策略的作用就在于根据这些外部因素调控地源热泵和空气源热泵的匹配方式，使得系统能够长久地稳定高效地运行。因此运用仿真模拟，研究地源与空气源热泵联合空调系统的运行策略是必要的。

1 系统介绍

1.1 系统原理

本文提出的新型地源与空气源热泵联合空调系统原理图如图1所示。

图1 地源与空气源热泵联合空调系统原理图

1.2 实验平台介绍

目标建筑物为上海某大学工程实训中心，建筑物空调区域面积为 500 m2。通过 DesignBuilder 动态模拟算出该工程实训中心空调区域的全年冷热负荷，目标建筑夏季最大冷负荷116 kW，冬季最大热负荷95.7 kW。

根据建筑物的全年动态负荷可得出，单一使用地源热泵作为冷热源时，冬夏季土壤吸放热量的不平衡率，为了解决仅采用地源热泵所造成的热堆积问题，空气源热泵需承担解决土壤吸放热量不平衡率的供冷量，才能维持土壤吸放热量的平衡。因此，地源与空气源热泵联合空调系统按照冬季最大热负荷选取地源热泵机组容量，空气源热泵机组容量按照维持土壤吸放热量平衡的原则选取。按照此方法，根据建筑物模拟所得的最大冷热负荷，考虑相应的裕度，对双热泵机组进行选型，如表1所示。

表1 热泵机组的型号

2 运行策略优化方案分析

夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统的运行策略应首先保证空气源热泵在夏季制冷工况的充分运行，以实现维护土壤热平衡的目的，从而确保多年后夏季制冷时地埋管水温能使热泵机组正常工作，不致失效。而同时，为了实现降低系统能耗的目的，空气源热泵在制冷季的运行份额上需要寻找一个平衡点，并不需要始终优先运行。这样不但让系统更长久稳定的运行，而且有利于提升系统即时运行能效，从而使地源与空气源热泵联合空调系统能长时间的正常稳定节能地运行。

室外空气的干球温度是一个能直接体现空气源热泵机组能效的指标，同样的，地埋管的出水温度是影响地源热泵系统能效的重要指标。当夏季室外空气干球温度较高，或是室外空气干球温度与地埋管出水温度之间的差值较大时，切换系统制冷优先次序，由地源热泵系统优先制冷。上述的前一个切换条件为温度控制，后一个切换条件即为温差控制。

具体系统运行策略优化途径如下：

1） 切换时间控制运行策略；

2） 室外空气干球温度控制运行策略；

3） 室外空气干球温度与地埋管出水温度的温差控制运行策略。

评价地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的优劣并不在于某一时刻系统能效的最优，而是土壤吸放热量的基本平衡，保证地埋管出水温度在多年使用后不会恶化，维持系统长期且高效稳定地运行。所以若要判断上述3种运行策略对于系统哪种较优，需要对系统多年运行积累的地埋管换热特性进行分析计算，而在这方面，系统的模拟仿真是较实测更为有效的研究手段[18]。

3 系统仿真模型构建

地源与空气源热泵联合空调系统的运行是一个动态耦合的过程，这一本质需要在系统的仿真模型中得到充分体现。TRNSYS瞬态模拟过程即是通过对系统数学模型数值求解过程，通过对模拟所得的瞬态结果积分可以得到长期累积的性能。室外气象条件、建筑物围护结构、室内热源的发热状况和室内外通风状况等多种因素共同作用于建筑物，形成建筑负荷。

建筑负荷是决定系统运行和机组开启策略的基本因素，实际上也直接关联着系统冷热源的负荷侧的供回水温度变化，而负荷侧的供回水温度变化和室外空气干球温度的变化决定空气源热泵机组的性能，负荷侧的供回水温度变化和地埋管的进出水温度变化决定地源热泵机组的实时性能，同时地源热泵机组的实时性能与当时地埋管换热器通过其进出水形成耦合过程。系统运行策略的作用就在于根据这些外部因素调控地源热泵和空气源热泵的匹配方式，使得系统能够长久地稳定高效地运行。

4 不同控制策略下地源与空气源热泵联合空调系统性能仿真分析

4.1 系统仿真模型验证

在上海典型气象数据中选取使目标建筑物处于75%冷负荷工况下的一天，作为典型夏季制冷日，并在该天对地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型进行模拟，将模拟结果与实测结果进行比较，比较结果如图2和图3所示。同样的，将典型冬季制热工况下，地源热泵系统仿真模型模拟出来的结果与实测结果进行比较，比较结果如图4所示。

从图2～图4中可以看出，在典型冬夏季工况下，模拟所得出的系统运行情况与实验结果基本一致，夏季地埋管出水温度最大误差为10%，冬季地埋管出水温度最大误差为8.8%，冬季地埋管进水温度最大误差为13%，均小于20%，证明了仿真模型冬夏季工况下模拟的准确性和可靠性。

图2 地源热泵运行性能实验结果与模拟结果的对比

图3 空气源热泵运行性能实验结果与模拟结果对比

图4 制热工况下地源热泵系统运行性能的实验结果与模拟结果对比

4.2 不同控制策略运行分析

切换时间控制运行策略的具体切换时间设置如表2所示。

表2 切换时间控制运行策略细化表

图5～图7为夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型计算出的A1、A2和A3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化。从夏季地埋管进出水温度的角度来看，A1运行策略下的地埋管10年的出水温度变化最大，从第1年的最大值32.5 ℃降为第10年的最大值27.5 ℃。此3种运行策略比较表明，设定的地源热泵系统优先运行的时间越长，地埋管的进出水温度就越高。

以切换时间为控制参数的各运行策略对应的年平均能耗和系统10年末土壤的温度如图8所示。在3种运行策略下10年末土壤温度的差异不是很大，分别为17.51 ℃、18.05 ℃和18.63 ℃，且地源热泵优先运行的时间越长，土壤10年末的温度越高。在系统能耗方面，地源热泵优先运行的时间越短，地源热泵使用份额越少。由图2可得，地源热泵性能系数随运行时间的增长而逐渐减少，地下土壤会出现严重的冷热负荷不平衡现象，热量将在地下累积，地下土壤温度逐年升高，地埋管进出水温度逐年上升，从而系统的能耗势必逐年增加。地源热泵优先运行时间越短，空气源热泵能充分发挥其作用，使地埋管换热器周围的土壤温度恢复，降低地埋管进出水温度。因此，地源热泵优先运行的时间越短，系统能耗越低，且这种差异较为明显，策略A1年能耗较A3降低约4.3%。

最佳的控制策略应使整个地源与空气源热泵联合空调系统总能耗最低，土壤温度维持恒定。运行策略A1虽然系统年平均能耗最低，但是其对应的10年末土壤温度较土壤初始温度的差值最大，这样长期运行下去会导致冬季地埋管进水温度低于规范的4 ℃，图5实际已反映了此现象。其原因为当空气源热泵系统优先运行时间较长时，会导致地源热泵系统夏季传至土壤的热量小于冬季从土壤里吸收的热量，从而土壤的温度会逐年递减，长期运行下去，地源热泵机组在冬季将不能正常运行。而对于运行策略A3而言，尽管10年内土壤温度恒定度维持得较好，但是年平均能耗却是三者中最高的。综合以上，可以得出A2策略是三者中最优的系统控制策略，并以此策略作为切换时间该类控制策略的代表，与其他两类运行策略进行综合比较。

图5 A1运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图6 A2运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图7 A3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图8 切换时间控制各运行策略年平均耗电量和10年末土壤温度比较

室外空气干球温度控制运行策略的具体切换温度设置如表3所示。

表3 室外空气干球温度控制运行策略细化表

图9～图11为夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型计算出的B1、B2和B3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化。

图9 B1运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图10 B2运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图11 B3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

从夏季地埋管进出水温度的角度来看，B3运行策略下的地埋管10年的出水温度变化最大，从第1年的最大值32.5 ℃降为第10年的最大值27.2 ℃。此3种运行策略比较表明，设定的室外空气干球温度越低，地源热泵优先运行的份额越高，地埋管的进出水温度就越高。

以室外空气干球温度为控制参数的各运行策略对应的年平均能耗和系统10年末土壤的温度如图12所示。3种运行策略下10年末土壤温度的差异较为明显，分别为18.47 ℃、17.33 ℃和17.13 ℃，且地源热泵优先运行的温度设定值越低，土壤10年末的温度越高。在系统能耗方面，地源热泵优先运行的温度设定值越高，地源热泵使用份额越少，系统能耗越小，且这种差异亦较为明显，策略B3年能耗较B1下降低约6.14%。

图12 室外干球温度控制各运行策略年平均耗电量和10年末土壤温度比较

综合10年末土壤温度及年平均耗电量，可以得出在以室外空气干球温度为控制参数的各运行策略中，B2策略是三者中最优的系统控制策略。室外空气干球温度与地埋管出水温度温差控制策略具体的切换温度设置如表4。

图13～图15为夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型计算出的C1、C2和C3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化。

C3运行策略下的地埋管10年的出水温度变化最大，从第1年的最大值32.5 ℃降为第10年的最大值27.4 ℃。此3种运行策略比较表明，设定的室外空气干球温度与地埋管出水温度的差值越小，地源热泵优先运行的份额越大，地埋管的进出水温度就越高。

表4 室外空气干球温度与地埋管出水温度的温差控制运行策略细化表

图13 C1运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图14 C2运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

图15 C3运行策略下地埋管10年的进出水温度和土壤温度变化

以室外空气干球温度与地埋管出水温度温差为控制参数的各运行策略对应的年平均能耗和系统10年末土壤的温度如图16所示。3种运行策略下10年末土壤温度的差异较小，分别为17.38 ℃、16.80 ℃和16.26 ℃，且地源热泵优先运行的温差设定值越低，土壤10年末的温度越高。在系统能耗方面，策略C2地源热泵使用份额最少，相应的系统年均能耗最少，较策略C1年均能耗降低约3.6%，较C3降低约2%。可以得出在以室外空气干球温度与地埋管出水温度的差值为控制参数的各运行策略中，C2策略是最优的系统控制策略。

图16 温差控制各运行策略年平均耗电量和10年末土壤温度比较

4.3 3种控制策略比较分析

对3种控制策略进行研究后，得到了3种控制策略下的最佳运行参数设定值，分别为A2（地源优先 3h），B2（温度控制 3 ℃），C2（温差控制 5 ℃），这三种运行策略对应的年平均能耗和系统10年末土壤的温度如图17所示。

从地源与空气源热泵联合空调系统的节能性角度来看，C2（温差控制 5 ℃）下的系统年平均耗电量最小，较B2（温度控制33 ℃）而言，节约了12.9%的年平均能耗；较A2（地源优先3h）而言节约了16.2%年平均能耗。因此，3种运行策略的节能性从好到差依次排序为温差控制运行策略、温度控制运行策略和时间控制运行策略。

从地源与空气源热泵联合空调系统的可靠性角度来看，3种各类最优运行策略A2（地源优先3h）、B2（温度控制33 ℃）、C2（温差控制5 ℃）下，10末土壤温度值分别为18.05 ℃、17.33 ℃和16.81 ℃，与土壤初始温度差值最小的是控制策略A2，在该控制运行策略下，10年内土壤温度恒定度维持得最好，最能确保长期运行下机组冬季能正常工作。因此，3种运行策略的可靠性从好到差依次排序为时间控制运行策略、温度控制运行策略和温差控制运行策略。

从地源与空气源热泵联合空调系统的控制便捷性角度来看，控制输入参数为2个温度的温差控制明显难于其余两类控制运行策略。另外，在实际运行中以时间作为运行切换指标更为方便。因此，3种运行策略的控制便捷性从好到差依次排序为时间控制运行策略、温度控制运行策略和温差控制运行策略。

图17 各类最优运行策略年平均耗电量和10年末土壤温度比较

5 结论

本文介绍了满足夏热冬冷地区冬季采暖需求的新型地源与空气源热泵联合空调系统，即制热时由地源热泵系统单独运行制热，供冷时则可以根据建筑冷负荷情况选择使用地源热泵和空气源热泵联合运行或者两者单独运行供冷。利用仿真模型，在采用不同的时间、温度和温差控制运行策略下对系统进行了模拟研究，得出如下几点结论：

1） 不同的时间、温度和温差控制运行策略下，优先运行3 h、室外空气干球温度为33 ℃、温差为5 ℃时的策略是最优的系统控制策略；

2） 对于目标地源与空气源热泵联合空调系统，若注重节能性，则温差控制运行策略最优；若注重可靠性，则时间控制运行策略最优；若注重控制便捷性，则时间控制运行策略最优。

本文研究的三类运行策略只是较常见和可操作性比较强的运行策略，在实际运用中还有很多运行方式；各类运行策略相互配合使用也会衍生出许多的运行策略，产生良好的运行效果，需要进一步进行研究，以便供工程应用选择。

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Study on Operation Strategy for Hybrid Air-conditioning System with Ground Source and Air Source Heat Pumps in Hot Summer and Cold Winter Districts

GU Juan, CHEN Jianbo*, HU Maomao
(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The research object of this paper is a novel hybrid air-conditioning system with ground source and air source heat pumps applied in the hot summer and cold winter districts. Three operation strategies, i.e. the time control strategy, the temperature control strategy and the differential temperature control strategy, are proposed and simulated with thesoftwareof TRNSYS.The system annually average energy consumption and the temperatures of the soil and the ground heat exchanger’s inlet and outlet water at the end of the 10th year are analyzed through simulation. The results show that, the operation strategy with 3 hours of prior running, 33 ºC of outdoor air dry-bulb temperature and 5 ºC of temperature difference leads to the optimum control strategy, which provides guidance for the practical application of this novel combined heat pump air conditioning system.

Ground source heat pump; Air source heat pump; Control strategy; System simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.107

*陈剑波（1962-），男，教授。研究方向：暖通空调系统集成与节能技术。联系地址：上海市杨浦区军工路516号，邮编200093。联系电话：021-55273240。E-mail：cjbzh@vip.sina.com。