摘要：對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某項(xiàng)目空調(diào)冷熱負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和分析，將雙冷凝器水源熱泵機(jī)組應(yīng)用于冷卻塔輔助型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，通過(guò)靈活的機(jī)組配置及合理的運(yùn)行策略解決了地源熱泵系統(tǒng)土壤釋熱量和取熱量的平衡問(wèn)題，并詳細(xì)介紹了運(yùn)行策略。由于理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)存在偏差，提出土壤溫度動(dòng)態(tài)糾偏的理念，保證地下溫度場(chǎng)的長(zhǎng)期平衡，達(dá)到地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效、穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng);雙冷凝器水源熱泵機(jī)組;運(yùn)行策略;土壤熱平衡

　　1 項(xiàng)目概況

　　該工程為安徽省某政務(wù)辦公區(qū)項(xiàng)目，分為3個(gè)單體：政務(wù)服務(wù)中心，總建筑面積33887m2，地上16層;城市規(guī)劃辦公樓，總建筑面積8498m2，地上10層;城市規(guī)劃展覽館，總建筑面積5026m2，地上4層。

　　由于各單體功能使用時(shí)間一致，且峰值負(fù)荷出現(xiàn)在同一時(shí)刻，將各單體的最大負(fù)荷累加值作為系統(tǒng)的綜合最大值。夏季空調(diào)總冷負(fù)荷4850kW，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷3224kW。

　　2 氣候及地質(zhì)現(xiàn)狀

　　項(xiàng)目位于安徽省西部，淮河中游南岸，有多條河流和湖泊，地下水資源豐富。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明。根據(jù)項(xiàng)目提供的巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告，地層主要由黏土、砂夾卵石和強(qiáng)、中風(fēng)化巖組成，巖土初始溫度17.15 ℃，巖土平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.01W/(m·℃)。

　　3 能源條件分析

　　項(xiàng)目冬、夏需要采用供暖和空調(diào)系統(tǒng)，周邊沒(méi)有市政熱源。

　　1)冬季室外溫度較低且濕度較大，空氣源熱泵機(jī)組存在反復(fù)融霜的問(wèn)題，該項(xiàng)目不適宜采用。2)燃?xì)忮仩t冬季使用費(fèi)用較高，且二氧化碳排放量較高，不利于環(huán)保。3)由于項(xiàng)目周邊地表水距離較遠(yuǎn)，考慮到當(dāng)?shù)氐叵滤�豐富，土壤換熱效率較高，并且地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，適宜垂直鉆井施工，擬采用復(fù)合式地源熱泵，既解決空調(diào)供冷供熱需求，也達(dá)到節(jié)能減排目的。該項(xiàng)目夏季釋熱量和冬季取熱量的不平衡率較高，且項(xiàng)目沒(méi)有生活熱水需求，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性，采用冷卻塔輔助型復(fù)合式地源熱泵。地埋管按冬季熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，夏季散熱不足時(shí)，采用冷卻塔進(jìn)行輔助散熱，在滿足使用要求前提下，以最大限度降低投資，維持地下冷熱平衡。

　　4 土壤換熱分析

　　夏季開(kāi)啟制冷模式，排熱使地下?lián)Q熱器周圍土壤溫度逐漸上升，系統(tǒng)效率逐漸降低;秋季系統(tǒng)不運(yùn)行，土壤溫度有所下降;冬季開(kāi)啟制熱模式，系統(tǒng)不斷吸收土壤熱量，土壤溫度下降;春季系統(tǒng)不運(yùn)行，土壤溫度有所回升。若夏季的累計(jì)釋熱量與取熱量相等，換熱器周圍的土壤溫度將恢復(fù)到初始溫度。

　　地源熱泵可能長(zhǎng)期有效運(yùn)行[1]。5 冷熱源選型該工程夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為6月5日至9月20日，冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為12月5日至3月5日，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算，假設(shè)冬、夏均采用地埋管工況運(yùn)行，計(jì)算年總釋熱量為2309281kW·h、取熱量為931040kW·h，釋熱量約為取熱量的2.5倍，如果不采取措施，系統(tǒng)運(yùn)行后將導(dǎo)致土壤環(huán)境溫度升高，運(yùn)行效率下降甚至系統(tǒng)癱瘓。

　　為此，采用冷卻塔作為輔助散熱，解決地埋管系統(tǒng)冷熱不平衡的問(wèn)題。根據(jù)項(xiàng)目的負(fù)荷特性，選用1臺(tái)水冷冷水機(jī)組(制冷量1627kW)、1臺(tái)單冷凝器水源熱泵機(jī)組(制冷量1627kW、制熱量1637kW)和1臺(tái)雙冷凝器水源熱泵機(jī)組(冷卻塔工況制冷量1627kW、制熱量1637kW)。水冷冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)冷卻塔運(yùn)行，單冷凝器水源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)地埋管工況運(yùn)行。雙冷凝器水源熱泵機(jī)組的一個(gè)冷凝器對(duì)應(yīng)冷卻塔運(yùn)行，另外一個(gè)冷凝器對(duì)應(yīng)地埋管運(yùn)行，可根據(jù)項(xiàng)目負(fù)荷特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)行需求靈活切換冷凝器使用工況。

　　5 運(yùn)行策略

　　眾多學(xué)者對(duì)冷卻塔輔助型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了深入研究，提出了一些控制方法，如分時(shí)段溫度控制[2]、溫度控制[3]、濕球溫度溫差控制[45]。但是不同項(xiàng)目所在地區(qū)的氣象參數(shù)、負(fù)荷特征等均有差異，需要針對(duì)每1個(gè)項(xiàng)目定制適宜的運(yùn)行策略。

　　方案①：總釋熱量2176566kW·h，大于總?cè)�熱量，熱不平衡�?7.2%;方案②：總釋熱量1437798kW·h，大于總?cè)�熱量，熱不平衡�?5.2%;方案③：總釋熱量1038238kW·h，大于總?cè)�熱量，熱不平衡�?0.3%;方案④：總釋熱量905523kW·h，小于總?cè)�熱量，熱不平衡�?2.7%;方案⑤：總釋熱量132715kW·h，小于總?cè)�熱量，熱不平衡�?85.7%。

　　以上5種運(yùn)行方案比較，方案④熱不平衡率-2.7%，為所有方案中最低，且在夏季初、末和早晚冷負(fù)荷較低時(shí)，優(yōu)先啟用冷水機(jī)組，充分利用室外濕球溫度較低時(shí)冷水機(jī)組能效較高的優(yōu)勢(shì)。隨著冷負(fù)荷增加，室外濕球溫度升高，冷卻塔工況能效優(yōu)勢(shì)降低，加載單冷凝器水源熱泵機(jī)組，發(fā)揮土壤溫度較低的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行能效。

　　1)當(dāng)2臺(tái)機(jī)組均不能滿足室內(nèi)負(fù)荷要求時(shí)，加載雙冷凝器水源熱泵機(jī)組(冷卻塔工況)用于平衡全年釋熱量和取熱量，實(shí)現(xiàn)土壤溫度恒定。GB50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》要求地埋管換熱器出口溫度宜≤33℃[6]，方案④運(yùn)行過(guò)程如果地埋管換熱器出口溫度>33℃，可切換為優(yōu)先運(yùn)行雙冷凝器水源熱泵機(jī)組(冷卻塔工況)，以滿足系統(tǒng)的高效運(yùn)行以及避免主機(jī)高溫故障報(bào)警。

　　2)地埋管分區(qū)控制、交替運(yùn)行。豎直埋管井536口，間距均為4.5m，鉆孔深120m，分4個(gè)區(qū)，每區(qū)埋管數(shù)量相當(dāng)、換熱能力相近，水源熱泵機(jī)組之間運(yùn)行切換和單臺(tái)機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(地源側(cè)變流量控制)，通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)地埋管片區(qū)總管的電動(dòng)閥開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)地地埋管交替運(yùn)行，以利于系統(tǒng)的高效運(yùn)行和地下溫度場(chǎng)的恢復(fù)。

　　3)土壤溫度動(dòng)態(tài)糾偏。由于地質(zhì)、滲流等土壤換熱的復(fù)雜性，軟件計(jì)算結(jié)果難以與實(shí)際土壤換熱情況相同，加上氣候變化以及空調(diào)實(shí)際使用頻率、負(fù)荷強(qiáng)度和持續(xù)性等不可預(yù)測(cè)因素，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行方案可能會(huì)導(dǎo)致土壤的溫度失衡，有必要對(duì)土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)糾偏。該工程豎直埋管井占地面積10854m2，區(qū)域內(nèi)埋管土壤總?cè)莘e 1302480 m3，土壤熱容約2000kJ/(m3·℃)，次年土壤平均溫降/溫升按照0.1℃考慮。

　　即便不考慮向周圍土壤擴(kuò)散，熱不平衡量犙=犆犞Δ狋=2000×1302480×0.1/3600=72360kW·h，為夏季總釋熱量的3%，為冬季總釋熱量的7%。為了保持土壤溫度穩(wěn)定，避免造成常年土壤熱、冷堆積，以土壤平均溫度浮動(dòng)0.1℃作為控制精度。以一個(gè)冬、夏季為空調(diào)運(yùn)行周期，下一年夏季運(yùn)行時(shí)對(duì)地溫監(jiān)測(cè)進(jìn)行判斷，如土壤溫度超過(guò)17.25℃(高于土壤初始溫度0.1℃時(shí))，采用方案⑤運(yùn)行，減少對(duì)土壤釋放熱量;如土壤溫度低于17.05℃(低于土壤初始溫度0.1℃時(shí))，采用方案①運(yùn)行，增加對(duì)土壤釋放熱量。通過(guò)以上措施，動(dòng)態(tài)調(diào)整土壤溫度，維持土壤溫度的動(dòng)態(tài)平衡。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷的計(jì)算和深入分析，制訂相對(duì)準(zhǔn)確、高效的運(yùn)行方案。提出將雙冷凝器水源熱泵機(jī)組應(yīng)用于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，機(jī)組配置靈活，采用雙冷凝器機(jī)組冷卻塔工況供冷，同時(shí)冬季可空調(diào)供熱，避免了通過(guò)增加冷水機(jī)組容量而帶來(lái)的初投資增加，且可以對(duì)土壤溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏，確保了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)久穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

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　　作者：張 抗☆ 唐浩然 孟 欣