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摘要：混合地源热泵的使用与应用控制的研究对其发展有重要的意义。文章就混合式地源热泵的定义，优势及其相关工作原理进行分析，然后就控制策略进行对比分析。
关键词：混合式地源热泵系统；控制策略；对比
前言：近年来，地源热泵技术作为一项绿色节能技术，已成为暖通空调行业备受关注的热门课题。但就系统设计和运行而言，多数工程会面临地下冷热负荷不平衡的问题，最终使系统长期性能受到威胁。研究人员对此现象进行了各种探讨，并提出了一系列应对措施，其中就包括混合式地源热泵系统。在此系统中，通常采用冷却塔等装置来进行辅助排热，以调节地下放热与取热的相对平衡。有关研究也都肯定了混合式地源热泵系统的优势，并提出了一些设计参考建议。
1 地源热泵简介
地源热泵系统是指以土壤、地下水和地表水作为热源，由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物系统组成的供热、供冷空调系统。在制热状态下，热泵机组通过地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，传至冷凝器，冷凝器产生热水通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供暖。在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功使其进行汽-液转化的循环将热泵机组排放的热量带走，由此产生的冷水，通过循环水泵系统送至空调末端，对室内空间进行供冷。这种系统利用的是清洁能源，不会对自然界的能量系统造成不利影响，不会产生多余的碳排放，环保效果显著；并且，功能齐全，运行可靠，既可以用来供暖、也可以用来制冷，并且还能提供生活热水。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可以分为分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。其中，地埋管地源热泵系统由于对水环境扰动较小，应用的最为广泛，因此，我们接下来的分析将以地埋管地源热泵系统为主。
2 地源热泵系统的工作原理
2.1 制冷原理
在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽—液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒—空气热交换器，以13℃以下的冷风形式向室内供冷。
2.2 制热原理
在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。
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3 混合式地源热泵系统的不同控制策略
3.1 确定系统结构
为了进行模拟仿真，选取一栋小型办公建筑为研究对象，对其进行混合式地源热泵系统设计。对应于需配置辅助散热设施和辅助吸热设施两种情况，分别在该办公楼设立冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统。经过比较，南方地区（夏季冷负荷大于冬季热负荷）选取武汉、北方地区（冬季热负荷大于夏季冷负荷）选取哈尔滨进行计算，得到的计算冷/热负荷分别为163.7kW/119.7kW，140.4kW/205.7kW。
3.2 进行模型构建
暖通行业的仿真软件中有一类专用于暖通空调系统能量特性和控制特性模拟的，如HVACSIM+，TRNSYS等。该类软件以整个系统中各部件为单元，按照各部件的压力、流动方程及质量能量平衡等进行计算，因此适用于系统的控制分析和控制器设计。本文选用TRNSYS软件作为仿真平台并建立混合式地源热泵系统的模型。建立系统模型时，首先需要建立其各组成部分的数学模型，然后根据具体的仿真对象，确定模型中的所有参数，并按照实际系统的设备布置情况，利用一定的方式将所有的数学模型串接起来，形成闭式计算回路，之后进行仿真调试，当整个系统每个时刻的计算都收敛后，系统模型即算建成。
3.3 不同控制策略
3.3.1串联式地埋管热粟系统控制策略分析
串联式地埋管热菜系统模型见，该系统运行方式主要是先运行地埋管系统，在不能满足负荷要求时在运行冷却塔系统。根据模型即可进行不同控制策略下的模拟运行。
3.3.2热泵进口流体最高温度控制
该控制方案主要是根据所在地的具体气候特点及建筑物负荷的具体情况，事先设定好热泵进口流体的最高温度，当在运行过程中达到或越过此设定极限温度时，启动冷却塔及其循环水泵进行辅助散热。经反复调试后选择设定值为26℃。考虑以下两种方案：①设定热泵进口流体最高温度（策略1）；②设定热泵出口流体最高温度（策略2）。
3.3.3温差控制
该控制方案主要是对热菜进口流体温度与周围环境空气湿球温度之差进行控制，当其差值超过设定值时，启动冷却塔及其循环水泵进行辅助散热；当其差值小于某一设定值时关闭冷却塔及其循环水泵。考虑以下两种方案：①当热泵进口流体温度与周围环境空气湿球温度之差大于2℃时，启动冷却塔及其循环水泵，直到该差值小于1.5℃时关闭（策略3）；②当热泵出口流体温度与周围环境空气湿球温度之差大于2℃时，启动冷却塔及其循环水泵，直到该差值小于1.5℃时关闭（策略4）。
3.3.4冷却塔开启时间控制
此控制方案主要借助土壤的短期及长期蓄热作用来避免或抵消系统长期运行所产生的热积累导致的土壤温升，维持土壤温度在恒定的范围内。考虑到夜间室外气温比较低，此控制方案通过在夜间开启冷却塔运行6h（午夜12：00至早上06：00）的方式将多余的热量散至空气中。为了避免出现水环路温度过高的情况，方案中采用设定热泵进口流体最高温度的方法作为补充。考虑以下两种方案：①全年夜间开启冷却塔及其循环水泵（策略5）；②供冷季（5～9月）开启冷却塔及其循环水泵（策略6）。锅炉-地源热泵系统控制策略有2种：热泵流体最低温度控制和锅炉开启时间控制。
3.4 模拟运行
取模拟时间为10a，步长为1h，冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统在各自的控制策略下的变化趋势可以表征整个热泵系统运行过程中的热平衡状况，亦能在一定程度上反映地埋管区域土壤温度的变化情况。
4 混合式地源热泵系统不同控制策略下的对比
4.1 冷却塔-地源热泵系统
在策略1下，当热泵进口流体温度超过26℃时冷却塔开始运行。冷却塔及其循环水泵的运行时间与所承担的冷负荷有关，该值越大，意味着需排出越多的热量，其开启的时间就越长；在策略2下，显示地埋管换热器出口流体温度非常稳定，逐年无明显温升，一直保持在 5～31℃范围内；在策略3下，显示地埋管换热器出口流体温度基本维持稳定，逐年略有上升，大体保持在 6～35℃范围内；在策略4下，显示地埋管换热器出口流体温度非常稳定，保持在 5～30℃范围内，效果同策略 2 相似；在策略5下，显示地埋管换热器出口流体温度在前 3 年存在较为明显的增长，从第 4年开始上升趋势减缓，但仍以小幅度逐年递增，截至第 10 年时出口流体温度大致处于 10～37℃范围内；在策略6下，显示地埋管换热器出口流体温度在前 4 年持续大幅攀升，至第 5 年开始逐渐趋于稳定，出口流体温度最高时近 40℃，最低亦达 15℃。
4.2 锅炉-地源热泵系统
在策略1下，显示地埋管换热器出口流体温度非常稳定，无明显逐年升降现象，基本维持在 2～20℃范围内。在策略2下，显示地埋管换热器出口流体温度呈逐年缓慢上升趋势，说明热泵系统向土壤的放热量略大于取热量，存在轻微的热量积累现象，截至第 10 年时出口流体温度大致处于-2～24℃范围内；在策略3下，显示地埋管换热器出口流体温度呈逐年缓慢下降趋势，说明热泵系统向土壤的放热量略小于取热量，存在轻微的冷量积累现象，截至第 10 年时出口流体温度大致处于-3～16℃范围内。
综上所述，从土壤温度场恢复及运行效果方面分析，热泵进口流体最低温度控制要比控制锅炉开启时间方式好。锅炉—地源热泵系统在控制锅炉开启时间下运行，很容易出现热平衡失调现象；若要取得与热泵进口流体最低温度控制同等稳定的温度场，系统能耗将大于后者。故不论是从哪一方面评价，热泵进口流体最低温度控制均优于锅炉开启时间控制。
5 结语
采用混合式地源热泵系统可以在减少钻孔工程量的同时节约占地面积。同时优势也有很多。对环境也有很多好处。地源热泵的应用也符合了现在绿色建筑的节能要求，所以应该大力推广应用。
参考文献
[1]陈大建.冷却塔辅助复合地源热泵系统运行特性研究[D].扬州大学，2016.
[2]薛怀坤.办公建筑中冷却塔复合式地源热泵系统的运行策略研究[D].天津大学，2014.
论文作者:洪浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/12
标签：系统论文; 流体论文; 源热泵论文; 冷却塔论文; 策略论文; 温度论文; 热量论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;