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）
模拟结果表明，系统运行20年总能耗大到小分别为策略二、一、三、四。以上能耗统计说明了夜间开启冷却塔在合理选择控制策略的情况下是可以比夜间未开启冷却塔更节能的。策略四考虑了板式换热器的传热温差而设定板式换热器两侧进口水温高于1.5℃才开启冷却塔和水泵为土壤降温，虽然没有充分利用夜间冷却塔的散热作用，但是避免了冷却塔和水泵在夜间消耗过多的电能，所以策略四成为最节能的控制策略也是可以理解的。
3.4考虑峰谷电价的系统运行费用的对比分析
笔者从国家电网湖北省电力公司了解到，该类建筑峰谷电价政策为：高峰时段1.7694元/KWh，平价时段0.9830元/KWh，低谷时段0.47184元/KWh。
就系统运行20年的总费用而言，策略二、三、四比策略一分别节约运行费用93.70万元、105.66万元、90.11万元。
由此可见，峰谷电价对本文夜间开启冷却塔的策略具有较大的优势。由于策略三是策略二的进一步优化，所以策略三是夜间控制冷却塔较为理想的控制策略。
4结语
本文针对冷负荷占优地区的典型城市武汉，选择某办公建筑为研究对象，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研究。对设定的四种冷却塔控制策略，利用TRNSYS模拟系统运行20年，得出以下结论：
（1）采用策略一时，土壤热积累的问题依然存在，土壤的平均温度逐年上升，热泵机组的运行效率下降。
（2）采用策略二时，土壤热积累的问题得到缓解，但是由于夜间冷却塔和水泵能耗较大，且存在浪费电能还给土壤带入热量的情况，系统的总能耗比策略一还大。
（3）采用策略三和策略四时，土壤热积累的问题得到进一步缓解，系统的总能耗降低。
（4）采用策略四更节能，而策略三在其他方面均表现出其优越性，特别是考虑峰谷电价时策略三更能节省运行费用。
（5）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。
参考文献：
[1]欧阳长文，徐菱虹，许双霜，胡平放．武汉地区混合式土壤源热泵系统的优化运行[J]．太阳能学报，2012（05）
[2]花莉，潘轶群．基于TRNSYS的土壤源热泵热平衡问题的影响因素分析[J]．建筑节能，2011（3）
论文作者:陈学鹏1, 徐菱虹2
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年12月上
论文发表时间:2016/9/5
标签：策略论文; 冷却塔论文; 土壤论文; 系统论文; 夜间论文; 温差论文; 水温论文; 《建筑建材装饰》2015年12月上论文;