某辦公建筑復合式地源熱泵空調系統(tǒng)優(yōu)化分析
——基于濟南地區(qū)

高 偉

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

自1940年以來，人們開始對地源熱泵系統(tǒng)的性能進行分析及研究。將太陽能集熱器與地源熱泵的地埋管進行組合，讓富余的太陽能儲藏在土壤中，是Penrod在1956年首次提出的設想，1962年彭羅德提出了太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)的工作原理[1]。近年來，地源熱泵在我國發(fā)展迅速，圍繞著復合式地源熱泵系統(tǒng)進行了大量的研究和探索，越來越多的工程也隨之被投入使用[2]?？紤]到不同地區(qū)建筑冷熱負荷與太陽能資源的豐富程度不平衡性，地源熱泵系統(tǒng)的設計常采用通過耦合不同的輔助供熱或散熱設備的措施來提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。比如，楊衛(wèi)波等人進行了冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)研究[3]，王成勇等人進行了太陽能復合式地源熱泵系統(tǒng)研究[4]。本文對濟南地區(qū)某辦公樓建筑的復合式地源熱泵空調系統(tǒng)進行設計優(yōu)化分析。

根據(jù)太陽能資源分布圖顯示，濟南屬于三類地區(qū)，太陽能資源較為豐富[5]。因此，該地區(qū)應用地源熱泵系統(tǒng)的時候。通常考慮利用太陽能進行輔助供熱。但是，由于該地區(qū)大多數(shù)建筑的夏季累計供冷負荷大于冬季累計供熱負荷，若冬季使用太陽能輔助供熱，會進一步加劇地下?lián)Q熱不平衡。因此，如何充分利用太陽能和地熱能實現(xiàn)各個能源子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配，是其首要考慮問題。

濟南地區(qū)的冷熱負荷不平衡率相對南方地區(qū)較低，冬季太陽能資源較南方地區(qū)更為豐富，太陽能的復合使用雖然降低了熱泵系統(tǒng)的供熱能耗，但加劇了系統(tǒng)全年的地下?lián)Q熱不平衡現(xiàn)象。因此需要冷卻塔夏季輔助散熱，一方面減少了地埋管系統(tǒng)的設計容量，降低地埋管系統(tǒng)施工成本；另一方面充分利用了太陽能，降低了系統(tǒng)的整體能耗，還能實現(xiàn)各子系統(tǒng)互為備用的目的。

1 建筑負荷模擬計算

圖1 建筑負荷模型模擬流程圖

模擬結果顯示，該辦公樓的峰值熱負荷117.2 kW，峰值冷負荷138.46 kW。熱負荷集中在每年的11月～3月，冷負荷集中在5～9月，3～5月和9～12月處于過渡季節(jié)負荷較小。采暖時間取11月16日～3月15日，年累計熱負荷為38 453 kwh。供冷時間取5月16～9月15日，年累計冷負荷為86 840 kWh。

2 空調系統(tǒng)模型建立

2.1 地源熱泵空調系統(tǒng)

根據(jù)負荷計算結果顯示，該建筑存在冷熱負荷不平衡，采用獨立地源熱泵系統(tǒng)時，向土壤釋放的熱量遠大于從土壤吸取的熱量。因此，在地埋管式換熱器的設計應采用夏季的最大排熱量。根據(jù)負荷及巖土熱物性測試結果，參照相關設計規(guī)范[6]，經(jīng)計算：該地源熱泵系統(tǒng)采用管徑DN32的單U型地下?lián)Q熱器，豎直埋管深度100 m，夏季共需鉆孔總長度3473.18 m，考慮富余量，確定該工程實際設計36口埋管深度為100 m換熱井。系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)模型

2.2 冷卻塔與地源熱泵耦合系統(tǒng)

在實際工程應用中，冷卻塔與地源熱泵的耦合方式有串聯(lián)和并聯(lián)等方式。相關文獻研究顯示[7]，并聯(lián)系統(tǒng)相比串聯(lián)系統(tǒng)運行效率更高，因此該工程選用并聯(lián)方式耦合冷卻塔和地源熱泵系統(tǒng)。TRNSYS模型如圖3所示。

圖3 冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)模型

根據(jù)地下最大換熱量和鉆孔長度計算結果，求比值后單位鉆孔長度換熱量為：制熱季36.46 W/m，制冷季47.11 W/m?？紤]到富余量，該工程選取冬季的單位井深換熱量選取30 W/m，按照冬季的供熱負荷，地埋管換熱器的換熱量為93.8 kW，需要鉆孔長度約3127 m，共需要32口鉆井深度100 m的換熱井。若夏季平均單位井深的換熱量取為45 W/m，32個換熱井可負擔的最大釋熱量為144 kW。根據(jù)負荷計算，夏季最大釋熱量為163.63 kW。所以，冷卻塔需要承擔約19.63 kW的換熱負荷。冷卻塔的額定容量約為系統(tǒng)最大排熱量(下文稱為“輔助冷卻比例”)的12%。一般情況下，輔助冷卻比例越大，所選取的輔助設備功耗也就越大。當冷卻塔承擔整個系統(tǒng)較大比例冷負荷時，冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)的運行性能可能低于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)。因此，必須對不同輔助散熱比例系統(tǒng)運行狀況進行比較。冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)的設計方案如下：

Qcooler=η×Qsys

(1)

L=(1-η)×Qsys/q

(2)

式中，Qcooler——輔助散熱量，kW；

η——輔助冷卻比例，η小于70%；

Qsys——設計的系統(tǒng)最大排熱量；

L——對應η的鉆孔設計長度；

q——單位鉆孔長度換熱量。

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上文所求得的冷卻塔換熱量近似為輔助冷卻比例10%時的換熱量。通過調整鉆孔數(shù)量和冷卻塔容量設定不同輔助冷卻比例，相應的復合系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻塔設計容量和埋管數(shù)量及地埋管換熱器內流速/輔助設備功率

2.3 太陽能/冷卻塔/地源熱泵復合系統(tǒng)

考慮到輔助冷卻比例為30%、50%和70%這3組模型時，地埋管設計容量無法滿足冬季換熱需求，因此需要對這3個模型進行太陽能集熱器的耦合，以利用太陽能承擔部分供熱負荷。

太陽能集熱器與地源熱泵的之間耦合方式同樣選擇并聯(lián)，建模如圖4所示。該工程選取的集熱器類型為平板式集熱器，根據(jù)設計經(jīng)驗，每平方米太陽能集熱器所匹配的水箱容量80-100 (L/m2)。取均值90L/m2。將3組數(shù)據(jù)中的太陽能集熱器面積留有一定余量，與之相匹配的水箱容量見表2。

圖4 太陽能/冷卻塔/地源熱泵復合系統(tǒng)模型

表2 不同輔助冷卻比例下的太陽能集熱器面積及水箱容積

3 技術經(jīng)濟分析

3.1 技術性分析

建立①地源熱泵系統(tǒng)、②冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例10%)和太陽能-冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例③30%、④50%、⑤70%)等5個模型，并進行對比分析。對比數(shù)據(jù)詳見表3。

由表3可看出：①、②兩組土壤溫度上升明顯，存在較為嚴重的熱堆積現(xiàn)象，使得隨著運行時間增加，機組運行性能出現(xiàn)衰減。相比之下③、④、⑤組的復合系統(tǒng)地下?lián)Q熱較為平衡，機組運行性能較為穩(wěn)定，尤其在后期，機組性能高于①、②組。就系統(tǒng)功耗而言，③組的機組和系統(tǒng)功耗均為最低，其因在于：一方面該系統(tǒng)匹配合理，使機組始終保持高能效運行；另一方面，過低的輔助散熱設備無法起到降低系統(tǒng)能耗作用，而過高的輔助散熱設備會增加輔助系統(tǒng)的運行功耗。所以，進行適當?shù)妮o助散熱及供熱(30%)，可以保證系統(tǒng)的總能耗最低。

表3 各系統(tǒng)模型運行相關數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟性分析

(1)初投資成本分析

系統(tǒng)初投資成本，主要由機組、地埋管式換熱器、冷卻塔、太陽能熱水系統(tǒng)、水泵等組成。表4為地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算表，輔冷比例為30%～70%的系統(tǒng)投資需考慮太陽能集熱器、集熱泵、蓄熱水箱等投資。計算得到30%、50%、70%三種系統(tǒng)的初投資分別為55.83萬元、60.37萬元和65.25萬元。

表4 地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算(冷熱源部分)

相較于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)，冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)在耦合冷卻塔情況下減少了部分地埋管的設計容量，因此投資成本下降6.16萬元；在太陽能-冷卻塔-地源熱泵復合式地源熱泵系統(tǒng)中，隨著冷卻塔比例增大，地埋管設計容量相隨之減少，但太陽能面積逐漸增大，輔助冷卻比例30%、50%、70%與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)初投資分別增長-2.77萬元、1.77萬元、6.65萬元。

(2)運行費用分析

濟南地區(qū)商業(yè)運行電費為0.7796元/kW·h，根據(jù)表3各系統(tǒng)累計總功耗，計算出各系統(tǒng)20年累計運行電費分別為：45.83萬元、45.75萬元、42.02萬元、48.98萬元、57.27萬元。相比較而言，系統(tǒng)③雖然初投資高于系統(tǒng)②，但增加的投資成本在后期運行過程可以回收。此外，系統(tǒng)③增加了太陽能系統(tǒng),可以在全年提供免費熱水，尤其對于民用建筑或者對于存在熱水需求的商業(yè)建筑，具有明顯的經(jīng)濟效益，其地溫增幅也在合理的變化范圍內，因此綜合效益遠高于其他系統(tǒng)形式。

4 結論

本文針對濟南某辦公建筑的空調系統(tǒng)設計了5種不同的復合式地源熱泵系統(tǒng)形式，并進行了綜合對比分析，主要結論如下：相比于冬夏負荷全部由地埋管系統(tǒng)承擔的常規(guī)地源熱泵，夏季輔助一定比例(10%)的冷卻塔，可以有效降低系統(tǒng)的初投資和運行成本。若進一步增加冷卻塔的輔助散熱比例，則需要在冬季耦合太陽能進行輔助供熱。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，當輔助冷卻比例為30%時候，該太陽能/冷卻塔復合式地源熱泵系統(tǒng)在五種系統(tǒng)模型中的綜合經(jīng)濟效益最高，因此選定該系統(tǒng)為建筑物的空調系統(tǒng)，系統(tǒng)具體配置為：鉆孔數(shù)量26個，冷卻塔水流量8.4 m3/h，集熱器面積100 m2,水箱容量9 m3。