办公建筑混合式土壤源热泵系统冷却塔控制策略研究

办公建筑混合式土壤源热泵系统冷却塔控制策略研究

发表时间：2016-09-05T15:17:27.887Z 来源：《建筑建材装饰》2015年12月上作者：陈学鹏1 徐菱虹2

[导读] 在实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总运行费用最低的策略三；而在不实行峰谷电价的办公建筑中，推荐采用总能耗最低的策略四。

陈学鹏1 徐菱虹2

（1.广东省建筑设计研究院，广东广州510000；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074）

摘要：在夏热冬冷地区，由于设计、施工、土壤自身恢复能力等原因，混合式土壤源热泵系统土壤热积累的问题依然存在，优化冷却塔的控制策略是改善系统运行效率的重要手段。本文以武汉地区某办公楼建筑为研究对象，利用TRNSYS对其采用的混合式土壤源热泵系统冷却塔的控制策略进行模拟研究。模拟结果表明，夜间开启冷却塔可以缓解土壤热积累问题，但开启时间决定了系统的节能与否；对夜间冷却塔的开启采取某种温差控制时，系统更节能。

关键词：混合式土壤源热泵系统；TRNSYS；冷却塔控制策略；温差控制

前言

在武汉地区的实际工程中，由于设计、施工、土壤自身恢复能力等原因，导致混合式土壤源热泵系统土壤热积累的问题依然存在。因此，我们有必要对混合式土壤源热泵系统进行优化设计，而优化控制策略是改善混合式土壤源热泵系统运行效率和缓解土壤热积累的重要手段。

目前，国内外学者在混合式土壤源热泵系统控制策略方面的研究已经得出不少有价值的模拟和实验成果。

本文利用TRNSYS模拟了白天温差控制+夜间自然冷却的控制策略和三种白天温差控制+夜间开启冷却塔与地埋管串联为土壤降温的夜间冷却塔控制策略，从土壤平均温度、热泵机组EER和COP、系统能耗和运行费用等多方面对上述模拟结果进行分析，对比各个控制策略的优缺点，得出较为合理的控制策略。

1混合式土壤源热泵系统设计

1.1空调负荷计算及分析

本文选择了位于武汉的一栋典型的办公楼建筑。该建筑共20层，空调面积约为39000m2。

根据武汉供冷季和供暖季的设定以及办公楼的作息时间，在DeST中建立办公楼建筑模型，模拟计算出办公楼的全年逐时负荷。办公楼供冷季峰值冷负荷为4627KW，供暖季峰值热负荷为3264KW，峰值冷热负荷比为1.42；供冷季累计冷负荷为2125641KWh，供热季累计热负荷为596001KWh，累计冷热负荷比为3.57。在实际工程中，冷负荷占优地区办公类建筑的峰值冷热负荷比一般为1.5左右，累计冷热负荷比为3.0左右，本文中所选的办公建筑具有一定代表性。

1.2白天温差控制+夜间自然冷却控制策略设计

白天温差控制+夜间自然冷却控制策略（下文简称策略一）下混合式土壤源热泵系统原理图如图1所示。

图1 策略一下混合式土壤源热泵系统原理图

该系统控制策略与原理为：当制冷季热泵进口水温与室外空气湿球温度差值高于2℃时，阀门1、2、3、4打开，冷却塔开启；当制冷季热泵进口水温与室外空气湿球温度差值低于1.5℃时，阀门1、2、3、4打开，冷却塔关闭；在供热季，阀门2、4打开，阀门1、3关闭，冷却塔不开启。

1.3白天温差控制+夜间冷却塔冷却控制策略设计

白天温差控制+夜间冷却塔冷却控制策略根据夜间冷却塔的控制策略不同，又分别设计为三种控制策略（下文分别表述为策略二、三、四），原理如图2所示。

图2策略二、三、四下混合式土壤源热泵系统原理图

（1）策略二控制原理

该系统策略二的控制原理为：在供热季，阀门2、4打开，阀门1、3、5、6关闭，冷却塔不开启；在制冷季白天，当热泵进口水温与室

外空气湿球温度差值高于2℃的时候，阀门1、2、3、4打开，阀门5、6关闭，冷却塔开启；在制冷季白天，当热泵进口水温与室外空气湿球温度差值低于1.5℃的时候，阀门1、2、3、4打开，阀门5、6关闭，冷却塔关闭；在制冷季凌晨0:00至早上6:00，阀门2、3、5、6开启，阀门1、4关闭，热泵机组停机。

其中阀门5的作用是减少夜间地埋管换热器侧循环系统的总阻力，降低夜间冷却水泵的能耗。

（2）策略三控制原理

策略三与策略二的控制原理相似，唯一的区别是：在夜间0：00到6：00，当从地埋管出来进入板式换热器的水温高于从冷却塔出来进入板式换热器的水温时，开启冷却塔和水泵，否则关闭冷却塔和水泵，该策略的提出是考虑充分利用冷却塔来对土壤降温，是理想化的策略。

（3）策略四控制原理

策略四与策略二的控制原理相似，唯一的区别是：在夜间0：00到6：00，当从地埋管出来进入板式换热器的水温高于从冷却塔出来进入板式换热器的水温1.5℃时，开启冷却塔和水泵，低于1℃时关闭冷却塔和水泵。该策略的提出是考虑了实际工程中板式换热器的传热温差对换热效率的影响，保证夜间板式换热器两侧进口水温的温差为1.5℃时才开启冷却塔，同时为了避免冷却塔与水泵频繁启停，设定了0.5℃的缓冲温差。

2混合式土壤源热泵系统的TRNSYS模型构建

本系统采用的地埋管换热器为垂直单U管，管材为PE管，U型管内径为25mm，外径为32mm，管间距为100mm，钻孔深度为80m，钻孔直径为200mm，孔间距为6m，采用水作为地埋管换热器循环液。根据四种控制策略各自选用的TRNSYS模块，对各个模块的参数进行设定，通过宏单元（link）实现各个模块之间的连接，最后完成整个系统的构建。在全局设定中设置模拟时间步长为1h，系统模拟时间为175200h（20年）。

限于篇幅，仅给出策略三、四的模型图。

图3 策略三和策略四下混合式土壤源热泵系统TRNSYS模型图

3四种控制策略的模拟结果及比较分析

3.1土壤平均温度的对比分析

图4 四种控制策略土壤最高平均温度

模拟结果表明，系统运行20年后策略二、三、四的土壤最高平均温度分别比策略一低1.46℃、1.53℃、1.20℃，策略三的土壤平均温度最低，这是由于该策略下夜间冷却塔充分开启换热，使得土壤温度下降幅度最大。

3.2热泵机组EER和COP的对比分析

模拟结果表明，各个策略下热泵机组制冷季平均EER呈逐年下降的趋势，且下降的幅度逐年减少。系统运行20年后，策略二、三、四的热泵机组制冷季平均EER分别比策略一高0.50、0.51、0.42；热泵机组供热季平均COP分别比策略一低了0.08、0.09、0.07。

土壤平均温度的上升使得热泵进口水温上升，从而使得制冷季热泵机组的EER下降而供热季的COP上升。

3.3系统能耗的对比分析

表1 四种控制策略系统运行20年总能耗统计（KWh）