基于TRNSYS的增加輔助冷卻設(shè)備的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化

彭冬根，李寅蒂

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，能源消耗量也逐漸增加。而且由于城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑數(shù)量的增加及人們對(duì)舒適度要求的提高使建筑能耗顯著增加，目前我國(guó)建筑能耗占比達(dá)到了35%，而其中的60%是空調(diào)系統(tǒng)能耗[1]。因此，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于降低整個(gè)建筑能耗至關(guān)重要。地源熱泵系統(tǒng)作為通過消耗較少的高品位能源，把土壤當(dāng)中的低品位熱量轉(zhuǎn)化為高品位熱量的系統(tǒng)得到社會(huì)越來越多的認(rèn)可與關(guān)注[2]。用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供冷和供熱來替代傳統(tǒng)的冷水機(jī)組和鍋爐可以有效降低大氣污染和節(jié)約能源[3-4]。

目前，很多學(xué)者對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的研究，推動(dòng)了地源熱泵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。Michopoulos等[5]通過實(shí)際工程，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行性能進(jìn)行研究，得到與傳統(tǒng)的鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)相比地源熱泵系統(tǒng)的能源需求明顯降低。戴曉麗[6]根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并與風(fēng)冷熱泵、鍋爐進(jìn)行比較，得出地源熱泵在能源、環(huán)保方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。但是隨著對(duì)地源熱泵系統(tǒng)研究的深入，單一地源熱泵系統(tǒng)地下冷熱不平衡的問題逐漸受到重視[7-9]。因此，很多學(xué)者對(duì)復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)展開了研究。郝紅等[10]利用TRNSYS平臺(tái)模擬比較了地源熱泵與熱網(wǎng)及太陽(yáng)能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)，結(jié)果表明利用太陽(yáng)能輔助供熱系統(tǒng)的COP 比原系統(tǒng)升高了1.48。Ikeda等[11]對(duì)復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方式進(jìn)行研究，提出了一種有效的優(yōu)化方法，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)相比使用該方法可使運(yùn)行費(fèi)用降低至少3.78%，最多12.56%。Kjellsson等[12]分析了太陽(yáng)能集熱器與地源熱泵組合的不同系統(tǒng)，利用TRNSYS平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)模擬得到最優(yōu)的運(yùn)行控制策略。武佳琛等[13]以對(duì)某復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的連續(xù)實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)，對(duì)3種運(yùn)行策略進(jìn)行比較研究，認(rèn)為夜間間歇運(yùn)行地源熱泵制冷方式是最優(yōu)的策略。

雖然很多學(xué)者對(duì)地源熱泵進(jìn)行了多方面研究，但如文獻(xiàn)[8]、[14]等大部分研究中都是使用負(fù)荷計(jì)算軟件對(duì)建筑熱濕負(fù)荷單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算之后再與地源熱泵系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行研究，這樣相當(dāng)于將空調(diào)末端理想化，會(huì)造成模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，本文通過TRNSYS平臺(tái)對(duì)建筑和地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過空調(diào)末端模塊將兩者相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)建筑負(fù)荷模擬與地源熱泵系統(tǒng)模擬的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)耦合，得到更為精確的模擬結(jié)果。并將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)系統(tǒng)地源側(cè)出水溫度及負(fù)荷側(cè)供水溫度進(jìn)行控制的方法，對(duì)增加冷卻塔輔助散熱的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 建筑概況

1.1 建筑基本信息

本文以南昌市某別墅建筑的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究。該建筑共3層，層高3 m，總面積為246 m2?？照{(diào)房間的信息如表1所示。

表1 各層空調(diào)房間信息Tab.1 Information of air conditioned rooms on each floor

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

建筑內(nèi)外墻、屋頂、樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)如表2所示，窗體的綜合傳熱系數(shù)5.52 W·m-2·K-1。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)Tab.2 Thermal parameters of envelope structure

1.3 人員在室率、照明及設(shè)備功率

人員、照明及設(shè)備對(duì)房間負(fù)荷有很大的影響，其中照明功率為15 W·m-2，設(shè)備功率為18 W·m-2，人員在室率如表3所示。

表3 人員在室率Tab.3 Personnel presence rate

2 物理及數(shù)學(xué)模型

論文采用TRNSYS模擬仿真軟件構(gòu)建地源熱泵及傳統(tǒng)鍋爐+冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)模型。TRNSYS全稱為transient system simulation program，即瞬態(tài)系統(tǒng)仿真程序，其最大的優(yōu)勢(shì)就是采用模塊化分析方式。單獨(dú)調(diào)用不同功能的模塊，每個(gè)模塊對(duì)不同的現(xiàn)象進(jìn)行模擬，將所有模塊按特定順序連接就可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行瞬時(shí)模擬分析[15]。本文系統(tǒng)由4個(gè)部分組成，分別是建筑模型及氣象參數(shù)部分、冷熱源部分、新風(fēng)及空調(diào)末端部分和控制系統(tǒng)部分。整個(gè)系統(tǒng)的搭建思路如圖1所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of air conditioning system simulation model

2.1 建筑及氣象參數(shù)模型

2.1.1 建筑三維物理模型

建筑三維物理模型如圖2所示，將模型導(dǎo)入Type56多區(qū)域建筑(muti-zone building)模塊中，通過Trnbuild對(duì)建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、人員在室率、照明及設(shè)備功率進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)這些信息Type56模塊可以精確計(jì)算建筑的熱濕行為。并采用溫度水平控制模式，該模式可以將實(shí)際空調(diào)設(shè)備與建筑相結(jié)合，通過室內(nèi)的溫度反饋來控制設(shè)備對(duì)房間冷量或熱量的輸入。

圖2 建筑三維物理模型Fig.2 Three dimensional physical model of building

2.1.2 氣象參數(shù)模型

氣象參數(shù)采用南昌市典型年氣象數(shù)據(jù)，將氣象參數(shù)文件導(dǎo)入Type15(weather data processor)模塊，其可以將溫度、濕度及太陽(yáng)輻照量進(jìn)行逐時(shí)輸出。根據(jù)室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫濕度可以計(jì)算出建筑年瞬時(shí)負(fù)荷，如圖3所示。圖中正值為冷負(fù)荷，負(fù)值為熱負(fù)荷。最大冷負(fù)荷為19.84 kW，熱負(fù)荷為11.43 kW，其中新風(fēng)負(fù)荷夏季為10.51 kW，冬季為6.01 kW。

t/h圖3 建筑年逐時(shí)負(fù)荷Fig.3 Annual hourly load of buildings

2.2 空調(diào)設(shè)備模型

冷熱源系統(tǒng)包括熱泵機(jī)組、地埋管、冷卻塔、冷水機(jī)組、鍋爐以及水泵等部件。新風(fēng)及空調(diào)末端系統(tǒng)包括新風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管。通過上文計(jì)算的建筑負(fù)荷確定設(shè)備參數(shù)，在TRNSYS平臺(tái)中選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行設(shè)置。其中熱泵機(jī)組夏季制冷額定COP=5.12；冬季制熱額定COP=6。地埋管管井個(gè)數(shù)為3口，每口井深100 m，間距為5 m。根據(jù)南昌市土壤熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.235 W·m-1·K-1，土壤初始平均溫度為18.97 ℃[16]。

2.2.1 熱泵/冷水機(jī)組模型

以制冷模式為例，熱泵的性能及制冷量計(jì)算公式為：

COPnom=COPrated·COPratio

(1)

Qact=Qrated·Ra

(2)

式中：COPnom為實(shí)際制冷系數(shù)；COPrated為額定制冷系數(shù)；COPratio為實(shí)際制冷系數(shù)與額定制冷系數(shù)的比值；Qact為機(jī)組實(shí)際制冷量，kW；Qrated為額定制冷量，kW；Ra為實(shí)際制冷量與額定制冷量的比值。

熱泵的制冷負(fù)荷為：

Qload=mchwCpchw(Tchw,in-Tchw,set)

(3)

考慮熱泵在非額定工況下運(yùn)行，需要引入部分負(fù)荷率RPL及部分功率系數(shù)PFFL的關(guān)系，如表4所示，其余值由表中數(shù)值插值計(jì)算得到。其中RPL及功率P的計(jì)算公式為：

表4 部分負(fù)荷率RPL與部分功率系數(shù)PFFL的關(guān)系Tab.4 The relationship between part load rate RPL and part power factor PFFL

(4)

(5)

式中：P為機(jī)組實(shí)際制冷功率，kW；Qload為機(jī)組制冷負(fù)荷，kW；mchw為冷凍水流量，kg·s-1；Cpchw為冷凍水的比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；Tchw,in、Tchw,set分別為冷凍水進(jìn)口和設(shè)定點(diǎn)溫度，℃。

2.2.2 地埋管模型

地埋管模型采用Eskilson[17]提出的g-functions模型，對(duì)垂直地埋管熱交換器進(jìn)行建模。假定換熱埋管均勻地放置在圓柱形的土壤存儲(chǔ)空間內(nèi)，管道內(nèi)有對(duì)流傳熱，同時(shí)管道與周圍土壤有熱傳導(dǎo)。土壤溫度由3個(gè)部分計(jì)算得出：全局溫度、局部傳熱和穩(wěn)態(tài)流傳熱。使用徑向坐標(biāo)r和垂直坐標(biāo)z將模擬的埋管區(qū)域劃分為二維網(wǎng)格，其中徑向又分為多個(gè)次分區(qū)k。全局和局部問題使用顯式有限差分法解決，穩(wěn)態(tài)流傳熱通過解析獲得，然后使用疊加方法計(jì)算溫度。

全局溫度在(i，j)節(jié)點(diǎn)，t+Δt時(shí)刻的表達(dá)式為：

T(i,j)t+Δt=T(i,j)t+[Fr(i,j)-Fr(i+1,j)+
Fz(i,j)-Fz(i,j+1)+Ql(i,j)+Qsf(i,j)]·Δt/C(i,j)

(6)

式中：F為熱流量，W；C為網(wǎng)格體積熱容，J·m-3·K-1；Ql為局部傳熱源項(xiàng)，W；Qsf為載熱流體穩(wěn)態(tài)循環(huán)源項(xiàng)，W；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s。

載熱流體的熱平衡方程為：

(7)

式中：Cf是流體熱容，J·kg-1·K-1；qfv是流速，m·s-1；S是沿流動(dòng)路徑的坐標(biāo)長(zhǎng)度，m；αv是傳熱系數(shù)，W·m-3·K-1；Tf是流體溫度，K；Tso是土壤溫度，K。

局部的熱平衡方程為：

(8)

式中：Tl為局部溫度，K；λ是導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；rb、r1是徑向坐標(biāo)內(nèi)邊界、外邊界，m；ql是流體向局部的傳熱，W。

穩(wěn)態(tài)流溫度表達(dá)式為：

(9)

式中：Tsf為穩(wěn)態(tài)流溫度，K；Tg為平均溫度，K；l為網(wǎng)格縱向長(zhǎng)度，m。

指定局部網(wǎng)格中適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)節(jié)點(diǎn)j′得到與埋管的徑向距離，最后疊加溫度為：

(10)

2.2.3 冷卻塔模型

冷卻塔的散熱量由式(11)計(jì)算：

Qcell=εama(hw,i-ha,i)

(11)

式中：Qcell為塔單元散熱量，W；εa為換熱效率；ma為空氣質(zhì)量流量，kg·s-1；ha,i為入口空氣的焓，J·kg-1·K-1；hw,i為入口水蒸氣的焓，J·kg-1·K-1。

根據(jù)劉易斯關(guān)系，對(duì)于逆流冷卻塔換熱效率εa定義如下：

(12)

式中：m*為熱容率比；NTU為傳質(zhì)單元數(shù)。

傳質(zhì)單元數(shù)和熱容率比的表達(dá)式如式(13)、式(14)所示：

(13)

(14)

式中：hD為傳質(zhì)系數(shù)；Av為冷卻塔換熱面積，m2；Vcell為冷卻塔的體積，m3；Cpw為水的比定壓熱容，J·kg-1·K-1；mw,i為質(zhì)量流量，kg·s-1；Tw,i,Tw,o分別為水的進(jìn)出口溫度，K；hs,w,i,hs,w,o分別為飽和水蒸氣的進(jìn)出口焓，J·kg-1·K-1。

根據(jù)ASHRAE設(shè)備指南，對(duì)冷卻塔性能給出了如下關(guān)聯(lián)式：

(15)

結(jié)合式(13)、式(15)，可以得到NTU與參數(shù)c、n之間的關(guān)系式(16)，繼而計(jì)算出塔的換熱效率εa。

(16)

2.2.4 鍋爐模型

鍋爐采用效率模型，加熱流體所需的能量為：

Qneed=mfluidCpfluid(Tout-Tin)

(17)

鍋爐所需的燃料燃燒的能量為：

(18)

式中：Qneed為加熱流體所需能量，W；mfuild為流體質(zhì)量流量，kg·s-1；Cpfuild為流體比定壓熱容，J·kg-1·K-1；Tout、Tin分別為出口流體溫度、進(jìn)口流體溫度，℃；Qfuel為所需燃料燃燒的能量，W；ηboiler為鍋爐總效率。

2.3 控制系統(tǒng)模型

控制系統(tǒng)包括運(yùn)行時(shí)間控制模塊和溫度控制模塊。運(yùn)行時(shí)間控制模塊主要根據(jù)季節(jié)因素控制熱泵機(jī)組的啟停、制熱及制冷，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間如表5所示。溫度控制模塊Type108(room thermostat)主要有3個(gè)參數(shù)，分別是設(shè)定點(diǎn)溫度、死區(qū)溫度以及監(jiān)控溫度。設(shè)定點(diǎn)溫度根據(jù)季節(jié)因素夏季為26 ℃，冬季為20 ℃。監(jiān)控溫度是對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)室溫不滿足設(shè)定溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)傳遞給熱泵機(jī)組，控制機(jī)組的啟停。死區(qū)溫度是為了防止溫度控制器在監(jiān)控溫度和設(shè)定點(diǎn)溫度接近時(shí)連續(xù)快速打開和關(guān)閉設(shè)備，本文死區(qū)溫度設(shè)定為1 ℃，使設(shè)定點(diǎn)溫度由一個(gè)溫度值變?yōu)樵谠O(shè)定點(diǎn)溫度±0.5 ℃的區(qū)間。

表5 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表Tab.5 Air conditioning operation schedule

3 系統(tǒng)仿真性能對(duì)比

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行工況

根據(jù)第2節(jié)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各部分的介紹，在TRNSYS的仿真模擬平臺(tái)(simulation studio)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行搭建，即將各模塊按實(shí)際系統(tǒng)流程進(jìn)行連接，構(gòu)建完整的空調(diào)仿真系統(tǒng)。地源熱泵仿真系統(tǒng)、鍋爐+冷水機(jī)組仿真系統(tǒng)及并聯(lián)冷卻塔的地源熱泵仿真系統(tǒng)如圖4所示。

系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行工況冷凍水進(jìn)出口水溫7、12 ℃，冬季制熱運(yùn)行工況熱水進(jìn)出口水溫44、40 ℃。水流為量3 800 kg·h-1，按各房間的負(fù)荷占比(不含新風(fēng))進(jìn)行分配，如表6所示。地埋管為單U型，管井?dāng)?shù)量為3口，每口井間隔5 m，管井深100 m，冷卻塔水流量為4 800 kg·h-1，體積為1 m3。

(a) 地源熱泵系統(tǒng)

表6 建筑各空調(diào)房間流量Tab.6 Flow of air-conditioned rooms in the building

3.2 系統(tǒng)模擬結(jié)果對(duì)比

對(duì)地源熱泵和鍋爐+冷水機(jī)組兩種系統(tǒng)進(jìn)行為期1年的仿真模擬，兩種系統(tǒng)的逐月能耗如圖5所示?？芍卦礋岜孟到y(tǒng)1年總能耗為27 129 kW·h，鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)1年能耗為37 095 kW·h，總體上地源熱泵系統(tǒng)要比鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能27%。但是由于冷熱負(fù)荷的不平衡會(huì)導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤的取熱/蓄熱量的失衡，對(duì)土壤溫度造成影響。土壤溫度及地埋管出水溫度的變化如圖6所示，運(yùn)行1年后土壤溫度為22.4 ℃比初始溫度升高了3.4 ℃，而且在夏季制冷時(shí)地埋管出水溫度長(zhǎng)時(shí)間處于40 ℃以上。

月份圖5 兩種系統(tǒng)逐月能耗對(duì)比Fig.5 Comparison of monthly energy consumption of two systems

通過圖5兩種系統(tǒng)逐月能耗的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)在冬季制熱模式下能耗要遠(yuǎn)高于地源熱泵系統(tǒng)。而在夏季制冷模式下兩種系統(tǒng)的能耗差距不大，5、6月地源熱泵系統(tǒng)的能耗低于鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)，7—10月份鍋爐+冷水機(jī)組的能耗反而要低于地源熱泵系統(tǒng)。由圖6可知，這是因?yàn)?、6月室外溫度不高，建筑所需冷負(fù)荷地埋管可以輕松負(fù)擔(dān)，地埋管出口水溫不會(huì)升高對(duì)熱泵機(jī)組的COP影響不大。而7、8月室外溫度升高，建筑所需冷負(fù)荷也隨之增大造成地埋管出口水溫升高，導(dǎo)致熱泵機(jī)組COP下降。9、10月由于土壤溫度的升高，雖然冷負(fù)荷要求降低但由于地埋管換熱能力的下降，出口水溫也會(huì)升高，機(jī)組COP下降，因此能耗大于鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)。

t/h圖6 土壤平均溫度及地埋管出水溫度的變化Fig.6 Variation of average soil temperature and outlet water temperature of buried pipe

4 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)上文的對(duì)比結(jié)果，地源熱泵系統(tǒng)相比與傳統(tǒng)的鍋爐+冷水機(jī)組系統(tǒng)能耗更低，而且地源熱泵系統(tǒng)是利用地?zé)崮苓@種可再生的能源，更加綠色環(huán)保。但是根據(jù)具體的模擬數(shù)據(jù)，該建筑全年累計(jì)冷熱負(fù)荷比為2.94：1，全年地埋管蓄熱及取熱量比為3.26：1，冬季的取熱量?jī)H為夏季蓄熱量的30.67%。這樣將造成多余的熱量在土壤中累積，系統(tǒng)常年運(yùn)行后土壤溫度逐漸升高，對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期高效的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。為了解決這個(gè)問題并進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，論文需要對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

4.1 優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

引入制冷季節(jié)能效比SEER、制熱季節(jié)能效比HSPF、全年性能系數(shù)APF以及土壤平均溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)比優(yōu)化前后該地源熱泵系統(tǒng)的性能變化。具體表達(dá)式如下：

(19)

(20)

(21)

式中：Qc為制冷季總制冷量，kW·h；Pc為制冷季系統(tǒng)總能耗，kW·h；Qh為制熱季總制熱量，kW·h；Ph為制熱季總能耗，kW·h。

4.2 負(fù)荷側(cè)供水溫度優(yōu)化

按照3.1中系統(tǒng)運(yùn)行工況，夏季冷凍水供回水溫度為7、12 ℃，冬季熱水供回水溫度為44、40 ℃。由于室內(nèi)負(fù)荷受室外溫度的影響較大，而室外溫度在一天之中波動(dòng)幅度很大。以恒定的水溫供水，會(huì)造成一定冷量或熱量的損失，因此可以對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷側(cè)變水溫度控制，控制策略如表7所示。

表7 負(fù)荷側(cè)供水溫度控制策略Tab.7 Water supply temperature control strategy at load side

4.3 地源側(cè)出水溫度優(yōu)化

為了解決因土壤溫度升高導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降，對(duì)地源側(cè)出水溫度進(jìn)行優(yōu)化。采用增加輔助冷卻設(shè)備的方式進(jìn)行優(yōu)化，增加冷卻塔與地埋管并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)地埋管出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)該溫度超過設(shè)定溫度時(shí)地埋管停止運(yùn)行，冷卻塔開啟。反之，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)冷卻塔關(guān)閉，地埋管開始運(yùn)行。

冷卻塔容量與冷水機(jī)組系統(tǒng)一致，地埋管管井?dāng)?shù)量及深度與未優(yōu)化的地源熱泵系統(tǒng)一致。以深層埋管年蓄熱量等于取熱量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)定溫度在20～25 ℃進(jìn)行模擬，結(jié)果如表8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)此溫度為22 ℃時(shí)，系統(tǒng)年取熱量為12 021 kW·h，蓄熱量為12 565 kW·h，取熱量為蓄熱量的95%。此時(shí)運(yùn)行1年后土壤平均溫度為18.76 ℃，與初始溫度僅差0.2 ℃，因此選取22 ℃作為設(shè)定溫度。

表8 設(shè)定溫度對(duì)取熱/蓄熱量的影響Tab.8 Influence of set temperature on heat recovery and storage capacity

4.4 優(yōu)化結(jié)果分析

同時(shí)采用4.2及4.3節(jié)的2種優(yōu)化方法對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化前后的系統(tǒng)模擬運(yùn)行20年。

4.4.1 土壤溫度分析

土壤平均溫度及地埋管出口平均水溫如圖7所示，優(yōu)化后的地源熱泵系統(tǒng)土壤平均溫度及地埋管出口平均水溫遠(yuǎn)低于未優(yōu)化的系統(tǒng)。其中優(yōu)化前系統(tǒng)運(yùn)行第20年的土壤平均溫度為28.5 ℃，地埋管出口平均水溫為34.3 ℃；而優(yōu)化后系統(tǒng)運(yùn)行第20年土壤平均溫度為18.8 ℃，地埋管出口平均水溫為19 ℃，分別下降了9.7 ℃和15.3 ℃。

從圖7可以看出優(yōu)化前的系統(tǒng)在開始運(yùn)行的前幾年溫度上升很快，幾年后速度逐漸變慢。這是因?yàn)橄到y(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)埋管區(qū)域的土壤與周圍土壤溫差較小，傳熱量不大。造成大部分熱量在埋管區(qū)域的土壤中積累使該區(qū)域土壤溫度升高，與周圍土壤產(chǎn)生較大的溫差，此時(shí)傳熱量也隨之增大，因此在系統(tǒng)運(yùn)行幾年后埋管區(qū)域土壤溫度升高速度減慢。但是可以發(fā)現(xiàn)未優(yōu)化的系統(tǒng)雖然溫度增速逐漸下降，但是運(yùn)行20年仍然處于上升的趨勢(shì)。而優(yōu)化后的系統(tǒng)，土壤平均溫度和地埋管出口平均溫度在系統(tǒng)運(yùn)行20年間保持穩(wěn)定，因此優(yōu)化后的系統(tǒng)不僅降低了土壤平均溫度還提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

運(yùn)行時(shí)間/a圖7 優(yōu)化前后系統(tǒng)運(yùn)行20年土壤溫度及地埋管出水溫度的變化Fig.7 Changes of soil temperature and outlet water temperature of buried pipe before and after optimization

4.4.2 系統(tǒng)能效比分析

優(yōu)化前后系統(tǒng)的制冷能效比SEER、制熱能效比HSPF和全年性能系數(shù)APF如圖8所示。優(yōu)化前系統(tǒng)運(yùn)行20年的平均制冷能效比SEER、制熱能效比HSPF和全年性能系數(shù)APF分別為2.24、2.29和2.25。優(yōu)化后系統(tǒng)運(yùn)行20年的平均制冷能效比SEER、制熱能效比HSPF和全年性能系數(shù)APF分別為2.46、2.20和2.38。

由圖8可知，優(yōu)化后地源熱泵系統(tǒng)的SEER和APF都要高于未優(yōu)化的系統(tǒng)，而HSPF兩者相差不大。且優(yōu)化后系統(tǒng)的能效比在長(zhǎng)期運(yùn)行期間波動(dòng)不大，但優(yōu)化前系統(tǒng)的SEER和APF在長(zhǎng)期運(yùn)行期間下降嚴(yán)重，運(yùn)行第20年相較于第1年分別下降了0.25和0.17。這是因?yàn)槲磧?yōu)化的系統(tǒng)常年運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤溫度升高，造成系統(tǒng)的性能下降。因此從圖8顯示的結(jié)果來看，采用4.2、4.3節(jié)的優(yōu)化策略達(dá)到了比較好的效果。

運(yùn)行時(shí)間/a圖8 優(yōu)化前后系統(tǒng)運(yùn)行20年的能效比及全年性能系數(shù)Fig.8 Energy efficiency ratio and annual performance coefficient of the system before and after optimization for 20 years

5 結(jié)論

1) 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗小于傳統(tǒng)的冷水機(jī)組+鍋爐空調(diào)系統(tǒng)，整體上節(jié)能27%。

2) 因?yàn)榻ㄖ錈嶝?fù)荷的不平衡導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤的吸熱/排熱量不平衡，造成土壤溫度升高。系統(tǒng)運(yùn)行20年土壤溫度升高了9.6 ℃，地埋管出口水溫上升了7.8 ℃，對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行性能產(chǎn)生了很大的影響。

3) 經(jīng)過優(yōu)化的地源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行20年平均夏季制冷能效比及全年性能系數(shù)分別上升了0.22和0.13。運(yùn)行20年土壤溫度和地埋管出口水溫分別為18.8 ℃和19 ℃，比優(yōu)化前下降了9.7 ℃和15.3 ℃，而且優(yōu)化后系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性提高。