土壤源热泵与蓄冷耦合系统的研究分析

曾令文 郭晓琴

摘要：随着社会经济的快速发展，能源瓶颈问题日益突出。寻找更高效的供暖空调方式刻不容缓。土壤源热泵系统自问世以来，以其高效节能的特点逐渐得到大力发展。蓄冷系统凭借“削峰填谷”的优势一直备受青睐。两系统优点存在理论上的互利共存。本文以某实际工程为例，采用DeST软件建立建筑模型，模拟全年负荷特点，并研究分析土壤源热泵与蓄冷耦合系统特性，得到如下结论：相比多联式空调系统，耦合系统全年运行费用节约40%。

关键词：土壤源热泵蓄冷DeST耦合系统

Research and Analysis of Ground Source Heat Pump and Cold Storage Coupling System

ZENG Lingwen 1  GUO Xiaoqin 2

（1.PowerChina Hubei Electric Engineering Co.，.Ltd.， Wuhan，Hubei Province， 430000 China; 2.Wuhan City College， Wuhan，Hubei Province， 430000 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， the problem of energy bottleneck becomes increasingly prominent. It is urgent to find more efficient heating and air conditioning system. Since its inception， ground source heat pump system has been vigorously developed with its characteristics of high efficiency and energy saving. With the advantage of "cutting peak and filling valley"， the cold storage system has always been favored. The advantages of two system are complementary. Taking a practical project as an example， this paper use DeST software to set up building model to simulate the annual load characteristics， then study analysis the characteristics of ground source heat pump combined with cool storage air conditioning system. The following conclusions are drawn： compared with multi connected air conditioning system， the annual operation cost of coupling system is reduced by 40%.

Key Words：Ground source heat pump; Cool storage; DeST; Coupling system

众说周知，空调耗电量约占建筑运行能耗50%～60%，且空调和电力负荷曲线趋势类似，这加剧电力供需矛盾。因此，降低空调能耗是降低建筑能耗的关键，是“削峰填谷”的重要措施。

由于土壤蓄热性能好，故与空气源热泵相比，机组效率更高，无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失，系统稳定，运行费用低。冰蓄冷空调技术，是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电动制冷机制冰，用蓄冰设备将冷量贮存起来，电力负荷较高的白天，将贮存的冷量释放出来，一方面平衡电网;另一方面利用峰谷电价差，节约空调系统运行费用[1-2]。

王建华等人对目前复合系统存在的问题提出相应解决措施[3];周瑞芳等人结合实际工程，对地源热泵联合蓄冷系統的经济性进行分析[4];褚赛等人以某工程为例，分析了复合系统的运行策略[5];王俊等人分析了分布式能源高效应用的途径[6];陈明彪从能效和经济性2个方面对跨季节蓄冷技术进行了分析[7]。

本文将以实际工程为例，利用DeST软件分析负荷特征，并配置土壤源热泵与蓄冷耦合系统，探讨耦合系统运行模式，与多联式空调系统进行比较，得出该耦合系统的全年运行费用约节约40%。

1 负荷模拟

本文以武汉某建筑部分区域为例，利用DeST软件对其全年动态负荷进行模拟，分析该建筑负荷特征。

本建筑物为办公性质。办公时间为：工作日8：00-17：00。根据文献[8]中的方法，拟定制热季为：12月1日～3月5日，空调季为：6月1日～9月25日。由此通过软件模拟得到该区域全年动态冷热负荷，如图1所示（0轴上为热负荷，0轴下为冷负荷）：

由图1可以看出，冷负荷最大值为104.87kW，热负荷的最大值为78.98kW。

2 系统配置

结合本项目实际情况，采用土壤源热泵+蓄冷耦合系统实现供冷供热。

由于建筑负荷较小，压缩机为涡旋式，因此蓄冷系统形式采用水蓄冷，蓄冷槽采用温度分层型，水箱体积为57m³。机组夏季COP约为5.3，制冷量为76.5kW，因此得到地源热泵排至土壤中的热量为91kW。本项目地埋管侧的钻井深度设计为100m，埋管形式为双U，钻井单位换热量为55W/m，并考虑钻井数量10%～20%的附加量，故所需的钻井数量为20口。

3 系统运行策略

项目所在地的谷时电价时段为23：00-2：00。下面以100%设计日负荷、75%设计日负荷、50%设计日负荷、25%设计日负荷四种控制策略模型为例对系统进行分别说明。

该工况下，机组利用晚上23：00～2：00时段为水槽蓄冷冻水。白天8：00～17：00，地源热泵机组与水蓄冷系统同时运行。地源热泵机组始终处于额定工况下运行，效率较高。其余冷负荷由蓄冷槽提供。

该工况下，机组利用晚上23：00～2：00时段为贮水槽蓄冷冻水。白天8、9、10、17点时段的冷负荷由水蓄冷槽提供，其余时段冷负荷较高，由地源热泵机组单独或联合供应，保证机组高效运行。

该工况下，机组利用晚上23：00～2：00时段为贮水槽蓄冷冻水。白天14点时段冷负荷由地源热泵机组提供，其余时段冷负荷完全由蓄冷槽提供。

该工况下，机组利用晚上23：00～ 01：00时段为贮水槽蓄冷冻水。白天的冷负荷完全由水蓄冷槽提供，地源热泵机组无需工作。

4 系统经济性分析

项目原方案为多联式空调机组，故本节将与该系统进行比较。首先统计建筑100%、75%、50%和25%这四种负荷率下的运行天数，如表1所示：

此外，土壤源热泵+水蓄冷耦合系统的输送能耗按单台水泵2.2kW计，两种系统夏季、冬季运行费分别如如表2和表3所示。

由表2和表3可知，土壤源热泵+水蓄冷耦合系统全年运行电费为21489.53元，多联式空调机组全年运行电费为35576.65元，因此前者较后者节约运行费用约40%。

5 结语

本文以实际项目为例，得到如下结论：

（1）对于土壤源热泵+蓄冷耦合系统的设计，宜根据建筑热负荷选择热泵机组，再根据冷负荷分布和阶梯电价结构设计运行策略;

（2）由于耦合系统用用了蓄冷技术，不但减少了热泵机组装机容量，还减少了地埋管的设计长度，一定程度上降低了土壤源热泵系统的初投资;

（3）与多联式空调系统相比，耦合系统全年运行费用节约40%。

参考文献

[1] 钱雨宁.土壤源热泵与冰蓄冷联合空调系统运行及经济性分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019。

[2] 郭哲豪.蓄热水箱-地源热泵系统在夏热冬冷地区运行特性研究[D].重庆：重庆大学，2018。

[3] 王建华，姚海清，赵树旺，等.土壤源与太阳能热泵复合系统的应用与发展[J].区域供热，2021，2：85-93。

[4] 周瑞芳，龚德建，朱绳杰，等.地源热泵与蓄能复合空调系统多参数优化研究[J]建筑热能通风空调，2021，40（8）：59-62。

[5] 褚赛，魏俊辉，刘启明，等.地埋管地源热泵复合水蓄能系统方案设计及经济性分析[J].建筑节能，2020，48（348）：58-61。

[6] 王俊，曹建軍，张利勇，等.基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状[J].储能科学与技术，2020，9（6）：1847-1857。

[7] 陈明彪，宋文吉，王瑛滢，等.跨季节蓄冷集成技术系统能效与经济性分析[J].制冷与空调，2021，35（2）：189-195。