北京市勘察设计研究院有限公司 魏俊辉 褚赛 刘启明 申雪云 鲍超
【摘 要】地源热泵系统因其高效节能、安全稳定、运行费用低等优点得到了广泛的工程应用，但其在制冷季/供暖季向土壤排/取热量的不均衡将导致系统效率下降，甚至无法正常运行。许多学者从系统形式的设计上提出了复合能源的解决方案，然而土壤的冷热平衡不仅与复合能源系统中地源热泵系统的能源占比有关，更与地源热泵系统的运行时间有关，因此，复合能源系统运行策略的研究显得尤为重要。本文以北京市某建筑为例，利用DeST软件对全年逐时动态负荷进行计算，并采用GLD软件对系统不同控制策略下的运行状态进行了模拟，提出了既能满足土壤的冷热平衡需求，又能保证系统高效运行的最佳控制策略。
【关键词】全年负荷逐时动态负荷，控制策略，分时段温度控制
1 引言
众所周知，地埋管地源热泵系统由于其高效节能、安全稳定、运行费用低等优点得到了广泛的应用。理想的情况是一年中系统冬季从土壤中抽取热量与夏季释放到土壤的热量平衡，地埋管换热器在长时间运行后，不会引起土壤平均温度的变化。规范[1]规定：“地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。”但由于各地气象条件、建筑围护结构及使用功能不同，引起了建筑冷、热负荷的不平衡，从而导致地埋管周围的土壤温度出现了逐年上升或下降的趋势，直接导致地源热泵系统的性能系数下降，耗电量的增加，甚至导致系统无法正常运行。目前，地源热泵系统向土壤排/取热量不均的问题，已成为国内外学者共同关注的课题。
虽然地埋管地源热泵的运行特性受诸多因素的影响，有关学者也在该方面进行了大量的研究[2]，结果表明通过调节管间距、深度、或者增加土壤和回填料的导热系数都可以缓解该问题，但不能从根本上解决该问题，尤其当土壤全年累计取排热量差异较大时[3]。例如我国的夏热冬冷地区或严寒地区，夏季冷负荷与冬季热负荷相差较大，甚至超过了2：1的比例，如不增加辅助能源，将使地下土壤的温度不断升高或降低，进而使机组的冷凝温度升高、蒸发温度降低，制冷或制热量减少、设备耗功率上升。因此，解决好冷热平衡问题是地源热泵系统长期稳定运行的可靠保证。
基于工程项目中暴露出的冷热不平衡问题，许多学者都进行了相关的研究，从系统形式的设计上提出了复合能源解决方案。针对冬季热负荷大于夏季冷负荷的北方地区，利用市政热力、燃气锅炉、空气源热泵、太阳能与地埋管地源热泵系统进行耦合，来解决冷热不平衡问题。而对于夏季冷负荷明显大于冬季热负荷的南方地区，则主要是借助冷水机组、空气源热泵来解决冷热不平衡问题。
与传统的地源热泵系统相比，复合能源系统既能解决土壤热失衡问题，提高系统运行效率，同时也能降低系统初投资。然而，土壤的冷热平衡不仅与复合能源系统中地源热泵系统的能源占比有关，更与地源热泵系统的运行时间有关，因此，复合能源系统的运行策略的研究就显得尤为重要。本文以北京市某宿舍楼为例，利用DeST软件计算了全年逐时动态负荷，并采用GLD软件对系统不同控制策略下的运行状态进行了模拟，得出了既能满足土壤冷热平衡的需求，又能保证系统高效的最佳运行策略。
2 工程概况
本项目为北京市某配套宿舍楼，该建筑地上8层，地下3层，总高度30m，总建筑面积5750.8m2。根据甲方的需求、工程项目的实际情况以及节能的需求，拟采用地埋管地源热泵系统为主要能源，为建筑提供冬季供暖、夏季制冷。地埋管换热器选用公称直径32mm的高密度聚乙烯（HDPE100）双U型管，有效埋深为150m。地埋管换热系统的设计将根据土壤热物性参数以及建筑物的动态负荷计算结果进行设计。该建筑的效果图如图1所示：
图1 建筑效果图
3 负荷模拟
3.1 模型建立
本文采用清华大学开发的DeST（Design by simulation Toolkit）软件。根据相关的建筑图纸，在DeST中建立三维拓扑图形，如图2所示：
图2 建筑三维拓扑模型
3.2 计算结果
将建筑的地理位置、围护结构类型以及热工参数、房间功能、室内设计参数、室内热扰参数、全年热扰及空调系统作息模式等输入模型，在DeST软件中进行全年8760小时的逐时动态负荷模拟，计算出建筑全年逐时动态冷热负荷分布如图3所示：
图3 建筑全年动态负荷分布图
根据北京地区的气候特点以及建筑的使用功能，确定本项目供冷季时间为5月15日至9月15日共计4个月，供暖季时间为11月15日至来年3月15日共计四个月，空调系统每天的运行时间为24小时。其余时间为过渡季，无需制冷及供暖。因此，本项目制冷、供暖季动态负荷分布如图4所示：
图4 建筑制冷季、供暖季动态负荷分布图
由建筑制冷季、供暖季动态负荷分布计算出该楼制冷季峰值冷负荷为1740.40kW，峰值热负荷为576.29kW；累计冷负荷为773213.66kW.h，累计热负荷为670306.04kW.h；若单独采用地源热泵系统为建筑冬季供暖，夏季制冷，全年向土壤排热量为927856.40kW.h，全年向土壤取热量为502729.53kW.h，全年排取热不平衡率为45.82%，如图5所示：
图5 地源热泵系统全年累计排取热量分析图
由此可知，本项目夏季向土壤排放的热量远大于冬季的取热量，如果单独采用地源热泵系统为建筑冬季供暖、夏季制冷，长期运行后，取排热的收支不平衡将导致作为冷源的埋管周围土壤温度逐年升高而形成热堆积，地源热泵机组运行效率逐年下降，最终系统难以正常运行。
除了土壤热失衡这一现实性技术难题，初投资大也是抑制地源热泵系统不能大面积推广应用的又一重要原因。相比于传统的冷水机组而言，地源热泵系统在地埋管换热器的埋管敷设的初投资方面不具有优势。对于本项目而言，如果单独采用地源热泵系统为建筑冬季供暖，夏季制冷，势必会要按照较大的全年冷负荷需求来设计埋管长度，埋管的换热量在冬季供暖期则完全大于其建筑热负荷需求。这样不但不能保证系统的高效运行，还大大增加了系统初投资。另外增加埋管敷设也占用大量的土地面积，在如今建筑数量密集，土地使用紧张的大城市，地源热泵的应用也会受到一定程度的影响。[4]
4 方案设计
为解决排取热量不均衡的问题，使地源热泵系统更加高效的运行，本方案采用地源热泵系统加辅助冷源来提高地源热泵系统的高效性和节能性，同时降低系统的初投资。
通过上述热平衡性问题分析，结合计算出的冬夏季冷热负荷差值，将采用地源热泵+冷水机组的复合能源形式提供建筑的冷热源。冬季单独运行地源热泵系统为建筑供暖，夏季地源热泵系统与冷水机组系统联合运行为建筑制冷，地埋管数量根据冬季负荷进行确定。该复合系统的原理图如图6所示：
考虑夏季制冷工况下，地源热泵系统与冷水机组系统能够稳定联合运行，同时降低末端循环水泵并联的流量折减。经过合理计算匹配，主机设备的选型参数如表1所示：
表1 主机设备选型参数表
图6 地源热泵+冷水机组复合能源的系统原理图
5 运行策略
5.1 温度控制运行策略
在以往的研究中，有学者以主要能源机组回水温度为控制参数，制定了相应的运行策略。在机组运行过程中对此温度进行设定，当运行温度高于此温度并保持一定时间，且监测到机组满负载率时，表明单独运行主要能源系统无法满足负荷需求，需要辅助能源进行调峰，此时开启辅助能源系统。当运行温度低于此温度并保持一定时间时，关闭辅助能源系统。
此种运行策略以温度为监控点，以某一种能源形式为基载，承担基础负荷，另一种能源形式作为调峰使用，通过监测温度确定辅助能源的起停。即对于本复合能源系统而言，有两种方案，第一以地源热泵系统为基载，承担基础负荷，冷水机组系统作为调峰使用；第二以冷水机组系统为基载，承担基础负荷，地源热泵系统作为调峰使用。
5.1.1 地源热泵系统承担基础负荷
在夏季部分负荷时先运行地埋管地源热泵系统，通过监测机组回水温度以及机组负载率，判定单独运行地源热泵系统是否能够满足建筑负荷需求。当负荷增大、无法满足设计工况时开启冷水机组系统进行调峰。
该方案的优点是发挥了设置地源热泵系统的作用，充分应用了地源热泵系统环保、高效、节能的优点，降低系统的运行费用。各个系统的承担负荷分析如图7所示：
图7 复合能源系统各种能源承担负荷分布图
经过计算，在该种运行策略下，地源热泵系统承担峰值冷负荷为582.85kW，承担累计冷负荷为713891.16kW.h。地源热泵系统承担全部热负荷，承担峰值热负荷为576.29kW，承担累计热负荷为670306.04kW.h。地源热泵系统全年向土壤排热量为856669.39kW.h，向土壤取热量为502729.53kW.h，全年排取热不平衡率为41.32%，如图8所示：
图8 地源热泵系统全年累计排取热量分析图
地埋管系统设计选用的是地下环路设计软件（Ground Loop Design，GLD），GLD是一种模块化的地源热泵系统地下环路设计专业软件,该软件成功支持了垂直埋管、水平埋管和地表水等多种地源热泵系统在大、中、小型商业建筑、住宅建筑的设计和施工。
将系统制冷季/供暖季峰值负荷及各月累计负荷和在设计温度和流量下的热泵参数，如：热泵制冷/热量、制冷/热功率、机组COP/EER值，以及流体参数、土壤参数、U型管参数、布孔型式等等信息输入软件进行计算，获得钻孔全长、井孔数、井孔深度、进水温度和出水温度等结果以及系统运行10年井群区域内土壤温度的变化。GLD软件计算结果如图9所示。
GLD计算结果显示，本系统共需设计地埋孔延米数为17250m，系统运行10年井群区域内土壤温度升高1.6℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温度将升高3~4℃。有资料[4]显示，土壤温度每升高1℃，系统效率将降低3～4％，地源热泵系统的全寿命周期内，系统效率将降低12%~15%。长期运行，系统效率将逐年下降，最终超出机组的运行温度，系统将报警，无法正常运行。
图9 GLD软件计算结果
5.1.2 冷水机组系统承担基础负荷
在夏季部分负荷时优先运行冷水机组系统，通过监测机组回水温度以及机组负载率，判定单独运行冷水机组系统是否能够满足建筑负荷需求。当负荷增大、无法满足设计工况时开启地埋管地源热泵系统进行调峰。
该方案的优点是充分利用了室外干、湿球温度相对较低时的阶段，提高了冷水机组的运行效率。各个系统的承担负荷分析如图10所示：
图10 复合能源系统各种能源承担负荷分布图
经过计算，在该种运行策略下，地源热泵系统承担峰值冷负荷为525.4kW，承担累计冷负荷为2767.96kW.h。地源热泵系统承担全部热负荷，承担峰值热负荷为576.29kW，承担累计热负荷为670306.04kW.h。地源热泵系统全年向土壤排热量为3321.56kW.h，向土壤取热量为502729.53kW.h，全年取排热不平衡率为99.34%，如图11所示：
图11 地源热泵系统全年累计取排热量分析图
将系统制冷季/供暖季峰值负荷及各月累计负荷和在设计温度和流量下的热泵参数，如：热泵制冷/热量、制冷/热功率、机组COP/EER值，以及流体参数、土壤参数、U型管参数、布孔型式等等信息输入软件进行计算，获得钻孔全长、井孔数、井孔深度、进水温度和出水温度等结果以及系统运行10年井群区域内土壤温度的变化。GLD软件计算结果如图12所示：
图12 GLD软件计算结果
GLD计算结果显示，本系统共需设计地埋孔延米数为26550m，较方案一增加了53.91%。系统运行10年井群区域内土壤温度升高1.9℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温度将升高4~5℃。地源热泵系统的全寿命周期内，系统效率将降低15%~20%。长期运行，系统效率将逐年下降，最终超出机组的运行温度，系统将报警，无法正常运行。
根据以上计算分析可知：
（1）系统向土壤全年取排热不平衡率越高，所需地埋孔延米数越长，土壤温度波动越明显；
（2）单纯采用温度控制的运行策略，不管是以地源热泵系统为基载，承担基础负荷，还是以冷水机组系统为基载，承担基础负荷，都无法彻底解决土壤全年取排热不平衡的问题。
因此，我们引出分时段-温度控制的概念，采用温度与时间双重控制系统运行策略，来解决土壤全年取排热不平衡的问题。
5.2 分时段-温度控制运行策略
分时段-温度控制即采用一年中不同季节或一天中不同时间段来控制机组的启停，为了避免发生水环路温度过高的情况，用设定机组最高回水温度的温度控制的方法作为补充。
分时段-温度控制需要结合建筑所在区域的气候条件和全年日负荷等数据来制定系统的运行策略，以提高系统的运行效率。对于本系统，当室外湿球温度较低时，冷水机组系统可以优先运行，充分发挥冷却塔向低温环境排热的优势，给予地埋管土壤温度恢复的时间，避免埋管周围热量堆积。
分时段-温度控制有很多方式，主要分为两类，一类是在一天中不同时间段来控制机组的起停，例如考虑到夜间（例如午夜12点-早上6点）室外湿球温度较低，冷水机组系统可以优先运行；第二类是在一年中不同季节来控制机组的起停，例如在初夏，室外湿球温度较低时，冷水机组系统可以优先运行；在夏末，刚度过冷负荷的高峰阶段，地埋管周围土壤温度已经升高，冷负荷已经处于较低的水准。继续让地埋管持续工作会导致热泵系统的运行效率降低，此时也可以让冷水机组系统优先运行，让其承担这部分较低的冷负荷，使得系统整体运行达到最优。
本文以在一年中不同季节来控制机组的起停方式为例，在初夏或夏末时单独运行冷水机组系统，在其他时间段，地源热泵机组承担基础负荷，冷水机组系统作为调峰使用。
该方案的优点在于既充分利用了室外干、湿球温度相对较低时的阶段，提高了冷水机组的运行效率。又充分应用了地源热泵系统环保、高效、节能的优点，降低系统的运行费用。
经过迭代试算，在5月15日~6月15日的初夏以及8月15日~9月15日的夏末单独开启冷水机组系统，其他时间段，地源热泵机组承担基础冷负荷，冷水机组系统作为调峰使用，能够解决土壤全年取排热不平衡的问题。各个系统的承担负荷分析如图13所示：
图13 复合能源系统各种能源承担负荷分布图
经过计算，在该种运行策略下，地源热泵系统承担峰值冷负荷为581.85kW，承担累计冷负荷为494043.70kW.h。地源热泵系统承担全部热负荷，承担峰值热负荷为576.29kW，承担累计热负荷为670306.04kW.h。地源热泵系统全年向土壤散热量为592851.24kW.h，全年向土壤取热量为502729.53kW.h，全年排取热不平衡率为15.2%，如图14所示：
图14 地源热泵系统全年累计排取热量分析图
将系统制冷季/供暖季峰值负荷及各月累计负荷和在设计温度和流量下的热泵参数，如：热泵制冷/热量、制冷/热功率、机组COP/EER值，以及流体参数、土壤参数、U型管参数、布孔型式等等信息输入软件进行计算，获得钻孔全长、井孔数、井孔深度、进水温度和出水温度等结果以及系统运行10年井群区域内土壤温度的变化。GLD软件计算结果如图15所示：
图15 GLD软件计算结果
GLD计算结果显示，本系统共需设计地埋孔延米数为17250m，系统运行10年井群区域内土壤温度升高0.2℃。在地源热泵系统全寿命周期内，井群区域内土壤温度仅升高0.4~0.5℃。因此，在全寿命周期内，地源热泵系统能够高效稳定运行。
6 结论
本文以北京市某配套宿舍楼为例，利用DeST软件计算了全年逐时动态负荷，并采用GLD软件对系统不同控制策略下的运行状态进行了模拟，得出如下结论：
（1）系统向土壤全年取排热不平衡率越高，所需地埋孔延米数越长，土壤温度波动越明显；
（2）单纯采用温度控制的运行策略，不管是以哪种能源形式为基载，承担基础负荷，都无法彻底解决土壤全年取排热不平衡的问题；
（3）采用分时段-温度控制，即温度与时间双重控制运行策略，能够解决土壤全年取排热不平衡的问题；
（4）分时段-温度控制需要结合建筑所在区域的气候条件和全年日负荷等数据来制定系统的运行策略，以提高系统的运行效率。
参考文献：
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[2] 花莉，潘毅群，范蕊，等．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，2012,40(3):23-27.
[3] 马宏全，龙惟定．地源热泵系统的热平衡问题[C].北京:中国制冷学会,2009:101-106.
[4] 赵耀.夏热冬冷地区地源热泵长期运行下的土壤热平衡分析[D].长沙:中南大学,2013.
[5] 周学文．地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案[J].建筑节能，2009,37(215):64-66.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
