(扬州大学 江苏 扬州 225000)
社会的迅速发展,能源消耗越来越大,环境越来越差,污染越来越严重,加快对可再生资源的开发利用成为了重中之重。地源热泵作为一种高效节能、环保的技术得到了广泛的发展和应用。但地源热泵系统依旧存在着技术上的难题,最主要的就是如何平衡冬夏季机组对土壤的取放热量,机组在夏天向土壤中释放的热量在冬天并不会全部被取出,一部分热量仍会残留在土壤中,从而造成土壤温度升高,机组效率下降,能耗增加。为了消除冷热负荷的不平衡,改善机组运行性能,一个切实可行的方法就是采用冷却塔辅助地源热泵复合系统。该复合系统在维持土壤热平衡的同时,既降低了系统的初投资,又提高了系统的COP,因此得到了广泛应用。
(一)冷却塔辅助复合式地源热泵系统的工作原理。夏热冬冷地区多采用冷却塔辅助来调节夏季向土壤的排热量,这种系统称之为冷却塔辅助地源热泵复合系统。其工作原理:夏季制冷工况下,系统出来的热水主要通过地埋管进行换热,冷却塔加以辅助散热;冬季制热工况下,利用地埋管从土壤中取热作为热源。对于冷却塔辅助地源热泵复合系统,埋管换热器的长度按冬季热负荷来确定,夏季超出的排热量由冷却塔来承担。
冷却塔辅助地源热泵复合系统按冷却塔与地埋管的连接方式可分为串联式和并联式,串联式系统中循环水先流经冷却塔系统与大气换热,然后流进地埋管系统再与土壤进行换热,两系统不能作为一个单独的热源,但结构简单便于控制。并联式系统由于冷却塔系统和地埋管系统之间没有相互的干扰,可单独作为热泵机组运行的热源,两系统同时运行时,二者之间的流量分配也会因为控制策略的不同而变化。总的来说,这种复合式系统可以大大减少初投资,满足冬季热负荷的同时也能调节好夏季冷负荷的需求,改善了系统的运行性能,提高了系统的效率以及经济性。
(二)冷却塔辅助复合式地源热泵系统的特点。1.系统封是根据冬季热负荷设计埋管长度,冬季热负荷是小于夏季冷负荷室外,因此可以大大减小埋管长度以及钻孔面积,降低了系统初投资。2.采用冷却塔辅助散热,有效的解决了土壤热堆积的问题,使得土壤趋向热平衡。同时降低了埋管循环水温,提高了系统的COP,达到节能的目的。3.冷却塔控制策略多,对于不同的地区,采用合理的控制策略,可以使得冷却塔系统消耗的电能以及维修费用小于整个系统节省的运行费用。
1.最高温度控制法:根据地埋管进水温度的最高值控制冷却塔的启闭,当温度高于最高设定值时开启冷却塔进行辅助散热,当温度低于最低设定值时关闭冷却塔进行土壤自然换热。
2.时间控制法:根据多余的负荷的量,设定一定的时间段,在这段时间内开启冷却塔来调节多余的复合,其他时间内保持冷却塔的关闭状态。
3.温差控制法:根据地埋管进(出)口的流体温度与室外湿球温度差值的大小来控制冷却塔的启闭,当大于设定值时开启冷却塔,调节传递给土壤的复合。
合理控制冷却塔的启闭来调节土壤的热平衡,是这类复合式地源热泵系统运行的关键,国内外学者在已有的控制策略的基础上,对此展开了深入研究。
(一)国外研究现状。1995年美国采暖、制冷及空调工程师协会首先提出了复合式土壤源热泵系统的概念,并详细描述了这项系统在应用中的优点。1996年Gilbreath研究复合式地源热泵系统中冷却塔所承担的散热比例来分析不同控制策略造成的影响,并比较了使用冷却塔与不使用冷却塔的地源热泵系统在经济性能上的差异。2000年Spitler对一个小型的办公建筑进行研究,通过模拟软件对复合式地源热泵系统进行了动态模拟,得出结论:当地埋管进口流体温度与室外湿球温度之差大于2°C时开启冷却塔,温差小于1.5°C时关闭冷却塔的控制策略下经济性最好,系统的能耗最低,极大的提升了系统的运行特性和经济性。2016年Ercan Atam等人对小型的混合式地源热泵系统提出动态规划控制方法和非线性模型预测控制的方法。
(二)国内研究现状。2005年河北工程学院[1]搭建地源热泵复合系统试验台,设计出4种控制策略并与无辅助冷却系统进行测试比较。四种控制策略为1:依据最高进水温度来控制;2:设定时间来控制冷却塔的启闭;3:依据地埋管进口温度与室外湿球温度的差值进行控制;4:白天运行地源热泵机组,晚上开启冷却塔与地埋管串联运行来降低周围土壤温度。结果表明通过地埋管进(出)口的流体温度与室外湿球温度差值的大小来控制冷却塔启闭的系统COP最高。
2005-2008年,谢鹂等人对3种基础控制策略进行了动态模拟。结果表明复合系统在温差控制下长期运行,土壤热平衡恢复最快并且系统能耗低,运行费用低[2]。2011年满易、杨红星等人对以冷负荷为主的建筑采用夜间开启冷却塔的复合式地源热泵系统进行研究,对比常规地源热泵系统,得出在潮湿的亚热带地区采用混合式地源热泵冷却塔夜间开启的系统是可行的[3]。2015年李康对南京地区提出了一种利用冷却塔过渡季节土壤蓄冷的新型复合式地源热泵系统,并将单一土壤源热泵、传统混合式土壤源热泵与提出的新型复合式土壤源热泵进行对比研究,结果表明冷却塔在供冷季节适宜运行的时间为6月和9月,在过渡季节适宜运行的季节为10月下旬、11月和3月[4]。
2016年李瑞丰以上海地区办公建筑作为研究对象,提出了在采用温差控制的同时对地埋管内流体最高温度进行控制的综合策略,并对不同工况点进行模拟分析。得出土壤热平衡效果相同的情况下,相对单一控制策略的系统采用综合控制策略的系统总耗能最少[5]。
冷却塔辅助复合式地源热泵系统一定程度上缓解了传统地源热泵系统容易造成土壤取放热不平衡的问题,提高了机组的运行效率,更加环保经济。本文总结了其常用的运行控制策略,并就国内外对该复合式系统在设计与运行策略等方面的研究进行了阐述,但目前对不同地区的最佳控制策略的研究仍然有所欠缺,而对于该复合式地源热泵系统,合理控制冷却塔的开启是系统设计和运行的关键。因此,合理、高效的运行策略的提出对该复合式地源热泵系统达到最佳的运行效果与最小的初投资有着深远的意义。