基于TRNSYS的地源熱泵系統(tǒng)運行策略分析

吳音璇王健*

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是通過輸入少量的高位能，利用地下淺層土壤能量，由地下埋管的管內(nèi)循環(huán)物質(zhì)與土壤進(jìn)行閉式熱交換，實現(xiàn)供熱供冷目的的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。它作為一種節(jié)能環(huán)保的供熱和空調(diào)新技術(shù)，近年來在我國得到了非常廣泛和迅速的發(fā)展。其中，地埋管地源熱泵采用地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水換取土壤中貯存的溫差能，沒有對自然水源的開采和污染的擔(dān)心，因此適用性更廣，安全穩(wěn)定性更強(qiáng)[1]。據(jù)統(tǒng)計，在我國范圍內(nèi)，已經(jīng)有多個數(shù)十萬平方米規(guī)模的地埋管地源熱泵項目。

在地源熱泵技術(shù)在發(fā)展的同時，也遇到了一些問題，阻礙了它的進(jìn)一步推廣，其中一個重要問題是地埋管換熱器布置范圍內(nèi)的土壤熱失衡問題。在我國夏熱冬冷地區(qū)，由于地埋管換熱器夏季向土壤放熱量與冬季從土壤的取熱量一般不同，長期的取、放熱不平衡會造成土壤自身溫度與初始設(shè)計溫度相差得越來越多，系統(tǒng)長周期運行后必然會導(dǎo)致系統(tǒng)持久運行特性變差，從而失去了該技術(shù)的在可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢。因此，本文將對在冷負(fù)荷占優(yōu)的上海地區(qū)，基于采用地源熱泵系統(tǒng)的實際建筑，建立動態(tài)仿真模型，在主機(jī)不同的運行策略情況下，研究土壤的熱平衡情況，埋管出水溫度，熱泵機(jī)組的COP以及系統(tǒng)能耗和經(jīng)濟(jì)效益等。通過仿真模擬，確定最佳控制策略，使地源熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)穩(wěn)定、高效運行。并為其它類似項目的設(shè)計和運行提供參考。

1 基于TRNSYS的仿真模擬

1.1 TRNSYS軟件簡介

TRNSYS軟件的全稱為Transient System Simulation Program，是一套完整的和可擴(kuò)展的瞬時系統(tǒng)模擬程序。該軟件已商業(yè)化使用近40年，最初由美國Wisconsin-Madison大學(xué)太陽能實驗室的研究人員開發(fā)。模塊化是該軟件的核心理念，所謂模塊化，即認(rèn)為所有系統(tǒng)均由若干個小的模塊化的“黑匣子”組件組成，一個模塊實現(xiàn)一種特定的功能，最后匯總就可對整個系統(tǒng)進(jìn)行瞬時模擬分析[2]。其中，TRNSYS中的地埋管換熱器模型DST（DUCT GROUND HEAT STORAGE MODEL），在地埋管地源熱泵系統(tǒng)的模擬中被廣泛應(yīng)用。

1.2 模塊簡介

本文采用TRNSYS 16進(jìn)行模擬仿真，其中，主要用到的模塊有：

1）Type 557：Vertical U-Tube Ground Heat Exchanger（垂直U形地埋管換熱器），TRNSYS中的地埋管換熱器模型是在Hellstrom的儲能傳熱模型（DST）基礎(chǔ)上開發(fā)的，DST模型最初用來模擬地下熱存儲系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上與地埋管換熱器十分相似[3]，因此DST模型也被廣泛應(yīng)用于地埋管換熱器的模擬。DST模型通過三種溫度的空間疊加得到土壤的溫度分布，三個溫度分別全局傳熱問題、局部傳熱問題、穩(wěn)態(tài)傳熱問題求得。前兩個問題用數(shù)值方求解，第三個問題用解析法求解[4]。

2）Type 9e：數(shù)據(jù)讀取器（專家模式），用于讀取外部文件，例如空調(diào)負(fù)荷、氣象參數(shù)等。

3）Type 225：地源熱泵機(jī)組，初始參數(shù)為：額定制冷量、額定制熱量、制冷/熱模式額定蒸發(fā)器/冷凝器流量等。

4）Type 666：冷水機(jī)組，初始參數(shù)為：額定制冷量，COP，冷凍水流量，冷卻水流量等。

5）Type 114：定流量水泵，初始設(shè)定參數(shù)為流量、功率。

6）Type 510：閉式冷卻塔，初始設(shè)定參數(shù)為設(shè)計工況的進(jìn)出水溫度、干濕球溫度、冷卻水流量、空氣流量、功率。

7）Equation Tool：計算器，可以進(jìn)行負(fù)荷判斷。

1.3 建筑概況與空調(diào)系統(tǒng)

本研究的模型是位于上海市靜安區(qū)的上海自然博物館，建筑總面積約為45086 m2，其中地上建筑面積12128 m2，地下建筑面積32958 m2。建筑總高度18 m，地上三層，地下兩層。設(shè)計總冷負(fù)荷5000 kW，總熱負(fù)荷2375 kW。

本項目采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供100%的展廳熱負(fù)荷和40%的冷負(fù)荷，其余冷負(fù)荷由螺桿冷水機(jī)組+冷卻塔提供。地源側(cè)換熱采用灌注樁埋管與地下連續(xù)墻埋管（外圍地下連續(xù)墻和地鐵連續(xù)墻）兩種形式。其中：灌注樁埋管393個，有效深度45 m。外圍地下連續(xù)墻內(nèi)埋管總計266個，有效深度34～38 m。地鐵連續(xù)墻內(nèi)埋管186個，有效深度18 m[5]。

2 仿真模型的搭建和擬合

2.1 仿真模型的搭建

TRNSYS采用模塊化的思想，有著強(qiáng)大的模擬控制器的功能，可以模擬各種復(fù)雜的控制方式。因為TRNSYS立足于系統(tǒng)而不是建筑，它在建筑負(fù)荷上的模擬偏弱[6]。所以在本研究中，采用eQuest計算建筑全年逐時負(fù)荷，再通過TRNSYS的Type 9 Data Reader模塊導(dǎo)入TRNSYS模型，進(jìn)行模擬計算。這樣既同時采用了TRNSYS和eQuest兩個軟件不同的模擬優(yōu)勢，又可以有效地簡化TRNSYS模型，減少模擬的時間。圖1為空調(diào)系統(tǒng)在TRNSYS中的模型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 TRNSYS Simulation Studio中的空調(diào)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真模型的擬合

本文采用對上海自然博物館運行實測的數(shù)據(jù)，與TRNSYS模擬所得的結(jié)果進(jìn)行對比。選取冬季最冷三個月，即12月、1月、2月各月典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度和夏季最熱三個月，即6月、7月、8月各月典型日機(jī)組冷凝器進(jìn)出水溫度。下面以冬季典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度為例進(jìn)行分析。

由表1可以看出，將冬季典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水實測溫度與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，大部分誤差在5%以內(nèi)，小部分誤差在5%～10%之間。可認(rèn)為模型可靠。

表1 實測、模擬冬季典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度

3 地源熱泵系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

對于本研究中的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)（地源熱泵+冷水機(jī)組/冷卻塔），不同的開機(jī)策略會對地埋管區(qū)域土壤溫度、機(jī)組COP等多方面產(chǎn)生明顯的影響，同時也會產(chǎn)生不同的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本研究選擇兩種不同的開機(jī)策略，則分別對熱平衡，能耗和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

其中，策略一，根據(jù)負(fù)荷的大小，在供冷季節(jié)優(yōu)先選擇選開啟源熱泵機(jī)組，在地源熱泵機(jī)組無法滿足供冷需求的時候，再開啟冷水機(jī)組。策略二，根據(jù)負(fù)荷大小，在供冷季節(jié)優(yōu)先開啟冷水機(jī)組，在冷水機(jī)組無法滿足供冷需求的時候，再開啟地源熱泵機(jī)組。具體的開機(jī)策略如圖2、圖3所示。

圖2 開機(jī)策略一

圖3 開機(jī)策略二

3.1 熱平衡分析

在地源熱泵系統(tǒng)中，土壤溫度的變化主要是在前十年，后幾十年變化相對較小[7]。因此，以下熱平衡的分析，將模擬的時間確定為十年（87600 h）。

3.1.1 機(jī)組運行策略一分析

策略一，根據(jù)負(fù)荷的大小，在供冷季節(jié)優(yōu)先選擇選開啟源熱泵機(jī)組，在地源熱泵機(jī)組無法滿足供冷需求的時候，再開啟冷水機(jī)組。

由于上海處于夏熱冬冷地區(qū)，夏季建筑物的冷負(fù)荷的絕對值要高于冬季熱負(fù)荷，且夏季土壤還要承擔(dān)熱泵機(jī)組、水泵等設(shè)備的散熱，故地埋管向土壤的排熱量大于從土壤的取熱量。

經(jīng)TRNSYS模擬，得到如圖4、圖5所示，熱泵機(jī)組運行10年的地埋管區(qū)域土壤平均溫度，埋管出水溫度與熱泵機(jī)組的COP變化曲線。

如圖4所示，在此運行策略中，地源熱泵機(jī)組連續(xù)運行10年，土壤平均溫度由17.4℃變?yōu)?4.5℃，升高了17.1℃。地埋管換熱器的最高出水溫度從31.3℃變?yōu)?7.5℃，升高了16.2℃。

圖4 策略一地埋管出水溫度與土壤平均溫度曲線

如圖5所示，因為在運行期間，土壤的溫度不斷升高，從而遠(yuǎn)離設(shè)計溫度，冷卻水溫度隨之升高，從而，熱泵制冷COP有所降低，而制熱COP相應(yīng)的有所升高。

圖5 策略一地源熱泵機(jī)組COP

由此可見，因為在此建筑中，場館所需要的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所需要的冷量，而且供冷、供熱季運行時間相差很大。供冷季部分時間需要全天24 h運行，供熱季只需工作時間運行約8～9個h，所以若是采用策略一，優(yōu)先啟動地源熱泵機(jī)組，會導(dǎo)致向土壤的嚴(yán)重取放熱不平衡。

3.1.2 機(jī)組運行策略二分析

策略二，根據(jù)負(fù)荷大小，在供冷季節(jié)優(yōu)先開啟冷水機(jī)組，在冷水機(jī)組無法滿足供冷需求的時候，再開啟地源熱泵機(jī)組。

由于冷水機(jī)組的制冷量比地源熱泵機(jī)組的制冷量大很多，在供冷季，冷水機(jī)組可以承擔(dān)大部分的基礎(chǔ)負(fù)荷，而余下的冷負(fù)荷才是地源熱泵機(jī)組承擔(dān)。另一方面，供熱季節(jié)的熱負(fù)荷全部由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)。故全年地埋管向土壤的排熱量和從土壤的取熱量基本可以達(dá)到平衡。

經(jīng)TRNSYS模擬，得到如圖6、圖7所示，熱泵機(jī)組運行10年的地埋管區(qū)域土壤平均溫度，埋管出水溫度與熱泵機(jī)組的COP變化曲線。

如圖6所示，在此運行策略中，地源熱泵機(jī)組連續(xù)運行10年，土壤平均溫度由17.4℃變?yōu)?6.8℃，降低了0.6℃。地埋管換熱器的最高出水溫度從26.4℃變?yōu)?5.8℃，降低了0.6℃。

圖6 策略二地埋管出水溫度與土壤平均溫度曲線

如圖7所示，因為在運行期間，土壤溫度基本保持不變，地源熱泵機(jī)組的運行可以看作始終處于設(shè)計工況，機(jī)組的COP幾乎沒有下降。

圖7 策略二地源熱泵機(jī)組COP

由此可見，在此建筑中，雖然場館的熱需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷需求，但是若是采用策略二，優(yōu)先啟動制冷量較大的冷水機(jī)組，冷水機(jī)組優(yōu)先承擔(dān)較多的冷負(fù)荷，而地源熱泵系統(tǒng)在夏季向土壤排放的熱量，與它在冬季從土壤取得的熱量基本可以達(dá)到相等。

3.2 能耗和經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 能耗分析

因為冷水機(jī)組的制冷能耗與機(jī)組負(fù)荷率，室外溫濕度、冷卻塔性能等很多因素有關(guān)，地源熱泵機(jī)組的制冷、制熱能耗也與機(jī)組負(fù)荷率，土壤溫度，埋管進(jìn)出水溫度等多個因素有關(guān)，所以有必要在對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上獲得制冷、制熱總能耗?；谇拔慕⒌腡RNSYS模型，對不同的兩種運行策略進(jìn)行全年的動態(tài)模擬。模擬結(jié)果如圖8，圖9和表2所示。

圖8 策略一各項能耗

圖9 策略二各項能耗

從表2中可以看出，以系統(tǒng)總能耗來分析，全年策略一比策略二節(jié)能6.87%。以上結(jié)果顯示，策略一即率先開啟地源熱泵機(jī)組的節(jié)能效果較為顯著。

表2 兩種策略全年能耗匯總表

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

經(jīng)濟(jì)效益評價是方案合理化選擇的重要手段，經(jīng)濟(jì)效益的評價方法很多。在本次研究中，由于兩種運行策略的兩臺地源熱泵機(jī)組和兩臺冷水機(jī)組的設(shè)備費，安裝費，土建費，配套設(shè)施費及其它費用相同，故初投資相同。因此，下面僅對兩種運行策略的年運行費用進(jìn)行討論。

運行費包含系統(tǒng)耗能費用和耗水費用，一般采用數(shù)量乘以單價計算。本工程為博物館，電價按非居民電價0.64元/kWh收取。自來水按5.8元/m3收取。

耗水量主要考慮冷卻塔部分的水消耗量，按其年循環(huán)量的1.5%計算。運行費用計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，策略一的年運行費用比策略二低了4.49萬元，年運行費用節(jié)省了6.6%，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 各方案年運行費用

4 結(jié)論

1）在夏熱冬冷地區(qū)，對于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)來說，不同的開機(jī)策略，對土壤熱平衡，機(jī)組COP以及能耗和經(jīng)濟(jì)性，都會產(chǎn)生顯著不同的影響。

2）對于熱需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷需求的博物館，根據(jù)負(fù)荷優(yōu)先啟動制冷量較大的冷水機(jī)組，當(dāng)無法滿足要求時再啟動地源熱泵機(jī)組，這樣有利于保持土壤的熱平衡，使系統(tǒng)能夠持續(xù)高效地運行。

3）在初投資相同的情況下，優(yōu)先開啟地源熱泵機(jī)組的年運行費用比優(yōu)先開啟冷水機(jī)組的年運行費用減少了6.6%，其具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。