摘要：對夏熱冬冷地區(qū)某項目空調(diào)冷熱負荷進行詳細計算和分析，將雙冷凝器水源熱泵機組應(yīng)用于冷卻塔輔助型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，通過靈活的機組配置及合理的運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題，并詳細介紹了運行策略。由于理論計算和實際運行參數(shù)存在偏差，提出土壤溫度動態(tài)糾偏的理念，保證地下溫度場的長期平衡，達到地源熱泵系統(tǒng)長期高效、穩(wěn)定運行的目的。

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

　　1 項目概況

　　該工程為安徽省某政務(wù)辦公區(qū)項目，分為3個單體：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間一致，且峰值負荷出現(xiàn)在同一時刻，將各單體的最大負荷累加值作為系統(tǒng)的綜合最大值。夏季空調(diào)總冷負荷4850kW，冬季空調(diào)總熱負荷3224kW。

　　2 氣候及地質(zhì)現(xiàn)狀

　　項目位于安徽省西部，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)項目提供的巖土熱響應(yīng)試驗報告，地層主要由黏土、砂夾卵石和強、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

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

　　1)冬季室外溫度較低且濕度較大，空氣源熱泵機組存在反復(fù)融霜的問題，該項目不適宜采用。2)燃氣鍋爐冬季使用費用較高，且二氧化碳排放量較高，不利于環(huán)保。3)由于項目周邊地表水距離較遠，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，也達到節(jié)能減排目的。該項目夏季釋熱量和冬季取熱量的不平衡率較高，且項目沒有生活熱水需求，考慮經(jīng)濟技術(shù)合理性，采用冷卻塔輔助型復(fù)合式地源熱泵。地埋管按冬季熱負荷設(shè)計，夏季散熱不足時，采用冷卻塔進行輔助散熱，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)不運行，土壤溫度有所下降;冬季開啟制熱模式，系統(tǒng)不斷吸收土壤熱量，土壤溫度下降;春季系統(tǒng)不運行，土壤溫度有所回升。若夏季的累計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。

　　地源熱泵可能長期有效運行[1]。5 冷熱源選型該工程夏季空調(diào)運行時間為6月5日至9月20日，冬季空調(diào)運行時間為12月5日至3月5日，對項目進行動態(tài)負荷模擬計算，假設(shè)冬、夏均采用地埋管工況運行，計算年總釋熱量為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)運行后將導(dǎo)致土壤環(huán)境溫度升高，運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)冷熱不平衡的問題。根據(jù)項目的負荷特性，選用1臺水冷冷水機組(制冷量1627kW)、1臺單冷凝器水源熱泵機組(制冷量1627kW、制熱量1637kW)和1臺雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況制冷量1627kW、制熱量1637kW)。水冷冷水機組對應(yīng)冷卻塔運行，單冷凝器水源熱泵機組對應(yīng)地埋管工況運行。雙冷凝器水源熱泵機組的一個冷凝器對應(yīng)冷卻塔運行，另外一個冷凝器對應(yīng)地埋管運行，可根據(jù)項目負荷特點和實際運行需求靈活切換冷凝器使用工況。

　　5 運行策略

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

　　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、末和早晚冷負荷較低時，優(yōu)先啟用冷水機組，充分利用室外濕球溫度較低時冷水機組能效較高的優(yōu)勢。隨著冷負荷增加，室外濕球溫度升高，冷卻塔工況能效優(yōu)勢降低，加載單冷凝器水源熱泵機組，發(fā)揮土壤溫度較低的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)運行能效。

　　1)當(dāng)2臺機組均不能滿足室內(nèi)負荷要求時，加載雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況)用于平衡全年釋熱量和取熱量，實現(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運行過程如果地埋管換熱器出口溫度>33℃，可切換為優(yōu)先運行雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況)，以滿足系統(tǒng)的高效運行以及避免主機高溫故障報警。

　　2)地埋管分區(qū)控制、交替運行。豎直埋管井536口，間距均為4.5m，鉆孔深120m，分4個區(qū)，每區(qū)埋管數(shù)量相當(dāng)、換熱能力相近，水源熱泵機組之間運行切換和單臺機組部分負荷運行時(地源側(cè)變流量控制)，通過機房內(nèi)地埋管片區(qū)總管的電動閥開閉，實現(xiàn)不同場地地埋管交替運行，以利于系統(tǒng)的高效運行和地下溫度場的恢復(fù)。

　　3)土壤溫度動態(tài)糾偏。由于地質(zhì)、滲流等土壤換熱的復(fù)雜性，軟件計算結(jié)果難以與實際土壤換熱情況相同，加上氣候變化以及空調(diào)實際使用頻率、負荷強度和持續(xù)性等不可預(yù)測因素，設(shè)計的系統(tǒng)運行方案可能會導(dǎo)致土壤的溫度失衡，有必要對土壤溫度進行監(jiān)測和動態(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0.1℃作為控制精度。以一個冬、夏季為空調(diào)運行周期，下一年夏季運行時對地溫監(jiān)測進行判斷，如土壤溫度超過17.25℃(高于土壤初始溫度0.1℃時)，采用方案⑤運行，減少對土壤釋放熱量;如土壤溫度低于17.05℃(低于土壤初始溫度0.1℃時)，采用方案①運行，增加對土壤釋放熱量。通過以上措施，動態(tài)調(diào)整土壤溫度，維持土壤溫度的動態(tài)平衡。

　　7 結(jié)語

　　通過全年動態(tài)負荷的計算和深入分析，制訂相對準確、高效的運行方案。提出將雙冷凝器水源熱泵機組應(yīng)用于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，機組配置靈活，采用雙冷凝器機組冷卻塔工況供冷，同時冬季可空調(diào)供熱，避免了通過增加冷水機組容量而帶來的初投資增加，且可以對土壤溫度進行動態(tài)糾偏，確保了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)長久穩(wěn)定、高效運行。

　　參考文獻：

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　　作者：張 抗☆ 唐浩然 孟 欣