校园建筑物分区式供能系统的模拟研究

张艳婕，李 斌，巩 亮，黄善波，徐明海

(中国石油大学(华东)新能源学院，山东 青岛 266580)

近年来，中国能源消费快速增长，除了天然气，美国以微弱优势超过中国外，中国的每一种能源需求增量都是最大的[1].与此同时，随着我国城镇化政策的推进，建筑耗能已经逐渐成为我国能耗的主要组成部分，其中由于中国众多高校的不断扩张，建筑类型不断增加，校园建筑节能问题日益凸显.

早在2011年，同济大学暖通空调及燃气研究所的高彪等[2]就以长三角地区某综合性大学为例，通过探讨校园典型建筑的能耗特点及节能潜力，分析了高校用能状况及问题，指出实验楼、宿舍楼能耗占校园建筑总能耗的50%以上，是构建绿色校园的重点关注建筑.目前，各个高校采取了很多方案以达到校园建筑节能的目的，例如建立高校能源监管平台，实时监控各建筑的能耗状况等.此外，集中供暖是现代建筑供暖的主要方式，在集中供暖中可以高效利用余热和可再生能源.目前在很多国家，集中供暖都作为国家能源战略规划的一部分被积极推进[3-4].也有学者指出在集中供暖中使用热泵系统具有更大的节能潜力，可以减少建筑供暖对化石燃料的依赖[4-5].同时，由于校园建筑独有的季节性运行规律，热泵系统在绿色校园中的应用被广泛研究.但是目前相关文献主要集中在系统运行策略的研究，针对校园建筑供能模式的探究较少，而传统供能模式大多不考虑校园建筑位置朝向等因素对供能系统的影响，导致建筑不同区域得热(冷)不均，用户舒适度下降.

周传勇[6]根据校园建筑的全年运行规律分析了校园建筑的负荷特点，并探究应用水源热泵的节能效果.杜岭岭[7]利用DEST软件分别计算了河北邯郸某学校的教学楼、餐厅及宿舍建筑的全年动态负荷并根据校园建筑的运行特性分析应用地源热泵的经济性和节能性.赵亚楠[8]研究了应用地源热泵时，校园建筑运行规律对地埋管钻孔壁温、压缩机耗功、热泵机组能效比的影响.在这类文献中，研究者主要集中研究校园建筑运行规律对热泵运行效果的影响，尽管证明了热泵在校园建筑中的适用性及节能性，却缺少同一建筑物供能系统模式的问题的研究.除此之外，太阳能辅助地源热泵系统在建筑供暖中的应用也被广泛研究，却很少研究其系统在校园建筑上的应用.韩敏霞[9]设计了将太阳能集热、地下储热和地源热泵相结合的联合系统为建筑供热并提供生活热水，根据设计与分析结果改进了系统的运行策略.Jamie P.Fine等[10]为全年热冷负荷比分别为20.4∶1、8.6∶1、1.2∶1的三座校园建筑应用太阳能辅助地源热泵，分析了不同热冷负荷比例建筑对太阳能辅助地源热泵系统的适用性.Huai Li等[11]通过利用TRNSYS模拟软件，研究太阳能与地源热泵联合系统的运行策略及不同季节下此系统的实际运行情况，考察了该联合系统的运行性能.Chen[12]分析了太阳能-地源热泵复合系统的运行模式，发现该系统可以提高热泵机组效率，并有利于土壤温度的恢复.Chen[13]等研究了太阳能辅助地源热泵系统冬季时四种运行模式下的系统性能，结果表明当太阳能进入热泵系统时，系统性能更佳.Andresen[14]利用TRNSYS建立了太阳能辅助地源热泵系统模型，探究太阳能的加入对系统能耗的影响.Vikas等[15]发现在印度的气候条件下，利用太阳能系统对地面进行蓄热，夜间供热系统的COP增加了23%.Dai[16]对太阳能辅助地源热泵系统在不同热源下的性能进行了实验研究.Gao[17]等建立了太阳能联合地源热泵系统模型并对集热器面积进行了优化.Mehmet Esen[18]采用不同方法对太阳能辅助地源热泵系统进行了建模和性能实验分析.Liu[19]探究了中国不同寒冷地区的建筑负荷特性对地源热泵性能的影响.邱国栋等[20]探究了在中国寒冷地区向建筑供暖的太阳能辅助热泵系统的性能及经济性表现.综合这类文献发现，尽管太阳能辅助地源热泵系统在建筑供暖中的应用已经有很多，但却很少研究其在校园建筑上的应用，而且也缺乏同一系统夏季供冷方面的研究以及冷热负荷匹配问题的研究.

综上所述，以往研究大多局限于地源热泵或太阳能辅助地源热泵系统结构本身，较少涉及建筑负荷对系统的影响，尤其缺乏采用太阳能辅助地源热泵对建筑供能模式的研究以及在校园建筑内的应用研究.针对这一问题，本文对青岛市某高校内的一栋实验楼的供能问题展开模拟研究，结合校园建筑的特点，根据不同朝向热区的负荷差异，提出5种分区供能模式，并建立相应的供能系统模型，模拟优选出最佳供能方案.

1 建筑物不同朝向热区分析

该实验楼共有7层，建筑总面积为13 986 m2，空调面积为11 189 m2，其中第1层、第2层与第3层的房间分布相同，第4层、第5层、第6层与第7层房间分布相同.在DEST软件中以校园实际实验楼围护结构、运行规律及建筑功能建立三维建筑模型，如图1所示.另外，1楼与4楼的平面图如图2所示.以建筑房间窗户朝向为依据划分朝向房间，将同朝向、同楼层、同为工作功能的房间合并为同一热区，模拟1个典型年的建筑负荷.

图1 实验楼三维建筑模型

根据全年负荷模拟结果得到全年不同热区冷热负荷如表1所示.从表1可以看出四热区叠加的冷/热负荷峰值比整体建筑的冷/热峰值均小了约200 kW，而且全年逐时叠加的冷/热负荷也显著降低了约105kWh.这是由于根据实验楼常年使用经验，大厅与走廊的活动人员很少，建筑物负荷主要存在于办公区域，在对建筑供能时，应当优先保证办公区域的舒适性.因此，相比于整体建筑负荷，分区负荷中并没有计入楼层大厅、走廊及楼梯间等房间负荷，仅考虑了办公区域负荷.结合表1可知如此分区计算负荷，不仅能够减小系统的装机容量，还能在对建筑供能时做到定空间供能，更易调节系统以达到合适的供能效果.

图2 实验楼不同楼层平面图

表1 不同热区冷热负荷分布

2 建筑供能方案

根据前文分析，提出下面5种供能方案作为优选备选方案.

方案1：针对建筑整体应用单台地源热泵机组供能；

方案2：分区应用两台地源热泵共用地埋管群协作供能；

方案3：分区应用两台地源热泵分用地埋管群协作供能；

方案4：针对建筑的不同方位房间分别应用单台地源热泵供能.

图3 不同方案下的土壤热不平衡率

以上4种方案均为地源热泵系统组成，但目前在生活中应用地源热泵系统容易出现这样一些问题：地下土壤热积聚，造成换热失效，不能满足制热或制冷高峰负荷需求，导致高峰期制热或制冷效果不佳，尤其是连续几年运行之后，由于没有有效解决地热平衡问题，还会给地下土壤环境带来热污染.为了避免此种状况，在已知全年建筑物负荷的情况下，通常会根据全年建筑负荷及地源热泵系统性能参数计算出土壤热不平衡率，以便后续方案设计与改进.因此，需要考察以上4种方案的地源热泵土壤热不平衡率，其值由公式(1)确定.其计算结果展示如图3所示.

(1)

公式中：QC为建筑物累计冷负荷，kWh；QH为建筑物累计冷负荷，kWh；COP为设计工况下的制热能效比；EER为设计工况下的制冷能效比；η为地源热泵土壤热不平衡率.

由图3可知，对建筑物采用不同的地源热泵系统供能方案，明显存在不同的土壤热不平衡率，且都在10%以上，特别是方案2～方案4的土壤热不平衡率均大于16%.尽管如此，由于在计算该土壤热不平衡率时采用设计工况下的制冷/制热能效比，而实际机组运行中并不能时刻保持着该能效比大小，且地下换热器的利用方式对实际运行过程中的地下换热量也有一定的影响.因此有必要做进一步的研究并在方案2中添加太阳能.据此提出了方案5：分区供能式太阳能辅助地源热泵系统.

表2 各系统方案的部分参数

以上5种方案，除系统组成不同外，机组负荷侧分区也不同.方案1是常规单机组地源热泵供能系统，此方案中将建筑整体看作负荷侧供能目标，以整体建筑负荷峰值进行机组选型，作为与分区供能方案对比的基准方案.方案2、方案3、方案5是两机组分区供能方案.方案2、方案3同为两机组地源热泵分区供能系统且都将建筑两个不同朝向负荷结合，分别作为两个负荷侧.区别在于方案2中两机组共用一套地埋管，而在方案3中两台机组分别配备一套地埋管.方案5在方案2的基础上添加了太阳能用于提高蒸发器入口流体温度.方案4则分别将4个朝向的负荷作为负荷侧，配备4套地源热泵系统为建筑供能.各方案的部分参数如表2所示.另外，方案1～方案5的系统结构示意图，如图4～图8所示.其中由于方案1、方案3、方案4均由单独地源热泵系统构成，在TRNSYS中只改变了负荷文件的输入，因此仅以图9展示在TRNSYS中的地源热泵模型.图8展示了在TRNSYS中方案2的模拟系统模型图.展示了TRNSYS中方案5的模拟系统模型，如图9所示.

图10 方案2模型图

图11 方案5模型图

3 系统方案模拟及结果分析

本文主要从以下三个方面进行分析研究：首先是不同方案所需钻孔数差异分析，根据所需钻孔数的差异，确定钻孔投资最少方案；其次是以年末土壤温度与年初土壤温度的温差最小为评价标准，考察不同方案全年运行后对地下温度场的影响，确定对地下温度场影响最小方案；最后分析不同方案下全年平均逐月机组耗能、全年逐月机组性能及全年系统性能，并通过对不同方案进行性能评级，确定具有最优性能的系统方案.

3.1 不同方案下钻孔数差异对比

根据机组额定性能参数及地埋管设计计算，得到了单一地源热泵在不同方案下的地下最大取热量、最大放热量.由国家标准[21]可知，地埋管出口温度设计要求为冬季地埋管最低出口温度不低于4 ℃，夏季地埋管最高出口温度不高于33 ℃.由此计算各方案所需钻孔数的结果如表3及图12所示.

表2 不同系统方案换热量及所需钻孔数

图12 不同方案所需钻孔数

由表3可见，方案1、方案2与方案4的最大取热量为1 068.83 kW、852.30 kW、835.14 kW，最大放热量为1 203 kW、990.65 kW、1 011.38 kW；方案2和方案3理论取放热量相同.最大换热量的不同导致了地埋管钻孔数的不同，由图12可知，在满足建筑供能的前提下，采用整体式供能的方案1所需钻孔数约是采用分区式供能的其余方案平均所需钻孔数的1.57倍.因此，就钻孔初投资而言，分区式供能系统比整体式供能方案投入更小.

3.2 不同供能方案对地下温度场的影响对比

随着季节的周期性变化，年末土壤温度越接近初土壤温度，地下温度场受到的破坏越小.不同系统方案下的全年逐时温度变化曲线，如图13所示.由图13可知，各系统方案的年末土壤温度与年初土壤温度差值分别为0.36 ℃、0.15 ℃、0.28 ℃、0.26 ℃、0.18 ℃.由于机组A与机组B在相互协作过程中存在单个机组占用全部地埋管，缓解了埋管局部区域土壤冷热堆积现象，地埋管内流体与土壤换热率增大，因此方案2与方案5在系统运行过程中相比于其他方案地下土壤温度波动范围较大.

3.3 不同供能方案的压缩机耗能及系统性能对比

除明确不同系统方案对地下温度场的影响外，对系统运行性能影响的考察也同样重要，因此还要对比不同机组能耗及系统性能的大小.

图13 不同系统运行方案下全年逐时土壤温度变化曲线

同系统运行方案下的逐月平均压缩机耗功率，如图14所示.由图14可以看出分区式供能系统的耗功率明显低于整体式供能系统.这与分区式供能热泵机组的间歇运行有关，尽管在热泵启动时，压缩机的瞬时耗功增大，但启动时间很短，间歇运行方案所增加的启动耗功增加量对系统总耗功数值的影响并不明显，而且机组总运行时长大幅度降低，最终导致了机组耗功率的明显降低.方案4虽然分成了四组热泵机组运行，缓解了单组热泵供能的负荷压力，但是也增多了压缩机的数量，加大了整体耗功.

另外，本文采用全年系统性能参数TASCOP (The Annual System Coefficient Of Performance)对系统整体进行节能性评价.该值表示全年地源热泵制热量与制冷量的和对全年系统耗功的比值，其定义式可见公式(2).

(2)

公式中：t0与t1分别为开始时刻和结束时刻；QGSHP，H为全年地源热泵的制热量，kWh；QGSHP，C为全年地源热泵的制冷量，kWh；EP水泵耗功，kWh；EGSHP热泵耗功，kWh.

通过公式(2)可以得到不同系统的TASCOP值并表示如图15所示.由图15可知，方案1～方案5的TASCOP值分别为2.54、2.85、3.21、2.84、3.46.其中，方案5在全年系统性能比较中表现最好，TASCOP值为3.46，相比于方案1，其性能提高了36.22%，相比于无太阳能辅助蒸发器侧的方案2其性能提高了21.40%.

4 结 论

以青岛市某校园内典型建筑物实验楼为研究对象，对供能系统结构展开研究.首先根据建筑物不同朝向的负荷需求差异，提出了5种建筑供能的方案，然后通过TRNSYS瞬态模拟软件建立了各个方案的系统模型，通过为期1年的系统模拟运行得到了以下结论：

(1)整体供能系统所需钻孔数偏大，约是两机组或多机组协同运行所需钻孔数的1.57倍；

(2)整体式供能系统年末土壤温度与年初土壤温度温差为0.36 ℃，而在分区式供能系统中此温差为0.15 ℃～0.28 ℃；

(3)在5种供能方案中方案5分区供能式太阳能辅助地源热泵系统性能最优，其TASCOP值比方案1高了约36.22%，比方案2高了约21.40%.

根据校园典型建筑物实验楼不同朝向的负荷需求差异，提出了分区式供能的方案，并进行了系统模拟分析，为今后建筑物供能结构优化提供了新的方向和思路，以推动建筑节能技术的发展.