校園建筑物分區(qū)式供能系統(tǒng)的模擬研究

張艷婕，李 斌，鞏 亮，黃善波，徐明海

(中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580)

近年來，中國能源消費快速增長，除了天然氣，美國以微弱優(yōu)勢超過中國外，中國的每一種能源需求增量都是最大的[1].與此同時，隨著我國城鎮(zhèn)化政策的推進，建筑耗能已經(jīng)逐漸成為我國能耗的主要組成部分，其中由于中國眾多高校的不斷擴張，建筑類型不斷增加，校園建筑節(jié)能問題日益凸顯.

早在2011年，同濟大學暖通空調(diào)及燃氣研究所的高彪等[2]就以長三角地區(qū)某綜合性大學為例，通過探討校園典型建筑的能耗特點及節(jié)能潛力，分析了高校用能狀況及問題，指出實驗樓、宿舍樓能耗占校園建筑總能耗的50%以上，是構(gòu)建綠色校園的重點關(guān)注建筑.目前，各個高校采取了很多方案以達到校園建筑節(jié)能的目的，例如建立高校能源監(jiān)管平臺，實時監(jiān)控各建筑的能耗狀況等.此外，集中供暖是現(xiàn)代建筑供暖的主要方式，在集中供暖中可以高效利用余熱和可再生能源.目前在很多國家，集中供暖都作為國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分被積極推進[3-4].也有學者指出在集中供暖中使用熱泵系統(tǒng)具有更大的節(jié)能潛力，可以減少建筑供暖對化石燃料的依賴[4-5].同時，由于校園建筑獨有的季節(jié)性運行規(guī)律，熱泵系統(tǒng)在綠色校園中的應用被廣泛研究.但是目前相關(guān)文獻主要集中在系統(tǒng)運行策略的研究，針對校園建筑供能模式的探究較少，而傳統(tǒng)供能模式大多不考慮校園建筑位置朝向等因素對供能系統(tǒng)的影響，導致建筑不同區(qū)域得熱(冷)不均，用戶舒適度下降.

周傳勇[6]根據(jù)校園建筑的全年運行規(guī)律分析了校園建筑的負荷特點，并探究應用水源熱泵的節(jié)能效果.杜嶺嶺[7]利用DEST軟件分別計算了河北邯鄲某學校的教學樓、餐廳及宿舍建筑的全年動態(tài)負荷并根據(jù)校園建筑的運行特性分析應用地源熱泵的經(jīng)濟性和節(jié)能性.趙亞楠[8]研究了應用地源熱泵時，校園建筑運行規(guī)律對地埋管鉆孔壁溫、壓縮機耗功、熱泵機組能效比的影響.在這類文獻中，研究者主要集中研究校園建筑運行規(guī)律對熱泵運行效果的影響，盡管證明了熱泵在校園建筑中的適用性及節(jié)能性，卻缺少同一建筑物供能系統(tǒng)模式的問題的研究.除此之外，太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)在建筑供暖中的應用也被廣泛研究，卻很少研究其系統(tǒng)在校園建筑上的應用.韓敏霞[9]設(shè)計了將太陽能集熱、地下儲熱和地源熱泵相結(jié)合的聯(lián)合系統(tǒng)為建筑供熱并提供生活熱水，根據(jù)設(shè)計與分析結(jié)果改進了系統(tǒng)的運行策略.Jamie P.Fine等[10]為全年熱冷負荷比分別為20.4∶1、8.6∶1、1.2∶1的三座校園建筑應用太陽能輔助地源熱泵，分析了不同熱冷負荷比例建筑對太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)的適用性.Huai Li等[11]通過利用TRNSYS模擬軟件，研究太陽能與地源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的運行策略及不同季節(jié)下此系統(tǒng)的實際運行情況，考察了該聯(lián)合系統(tǒng)的運行性能.Chen[12]分析了太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)的運行模式，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以提高熱泵機組效率，并有利于土壤溫度的恢復.Chen[13]等研究了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)冬季時四種運行模式下的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明當太陽能進入熱泵系統(tǒng)時，系統(tǒng)性能更佳.Andresen[14]利用TRNSYS建立了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)模型，探究太陽能的加入對系統(tǒng)能耗的影響.Vikas等[15]發(fā)現(xiàn)在印度的氣候條件下，利用太陽能系統(tǒng)對地面進行蓄熱，夜間供熱系統(tǒng)的COP增加了23%.Dai[16]對太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)在不同熱源下的性能進行了實驗研究.Gao[17]等建立了太陽能聯(lián)合地源熱泵系統(tǒng)模型并對集熱器面積進行了優(yōu)化.Mehmet Esen[18]采用不同方法對太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)進行了建模和性能實驗分析.Liu[19]探究了中國不同寒冷地區(qū)的建筑負荷特性對地源熱泵性能的影響.邱國棟等[20]探究了在中國寒冷地區(qū)向建筑供暖的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的性能及經(jīng)濟性表現(xiàn).綜合這類文獻發(fā)現(xiàn)，盡管太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)在建筑供暖中的應用已經(jīng)有很多，但卻很少研究其在校園建筑上的應用，而且也缺乏同一系統(tǒng)夏季供冷方面的研究以及冷熱負荷匹配問題的研究.

綜上所述，以往研究大多局限于地源熱泵或太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身，較少涉及建筑負荷對系統(tǒng)的影響，尤其缺乏采用太陽能輔助地源熱泵對建筑供能模式的研究以及在校園建筑內(nèi)的應用研究.針對這一問題，本文對青島市某高校內(nèi)的一棟實驗樓的供能問題展開模擬研究，結(jié)合校園建筑的特點，根據(jù)不同朝向熱區(qū)的負荷差異，提出5種分區(qū)供能模式，并建立相應的供能系統(tǒng)模型，模擬優(yōu)選出最佳供能方案.

1 建筑物不同朝向熱區(qū)分析

該實驗樓共有7層，建筑總面積為13 986 m2，空調(diào)面積為11 189 m2，其中第1層、第2層與第3層的房間分布相同，第4層、第5層、第6層與第7層房間分布相同.在DEST軟件中以校園實際實驗樓圍護結(jié)構(gòu)、運行規(guī)律及建筑功能建立三維建筑模型，如圖1所示.另外，1樓與4樓的平面圖如圖2所示.以建筑房間窗戶朝向為依據(jù)劃分朝向房間，將同朝向、同樓層、同為工作功能的房間合并為同一熱區(qū)，模擬1個典型年的建筑負荷.

圖1 實驗樓三維建筑模型

根據(jù)全年負荷模擬結(jié)果得到全年不同熱區(qū)冷熱負荷如表1所示.從表1可以看出四熱區(qū)疊加的冷/熱負荷峰值比整體建筑的冷/熱峰值均小了約200 kW，而且全年逐時疊加的冷/熱負荷也顯著降低了約105kWh.這是由于根據(jù)實驗樓常年使用經(jīng)驗，大廳與走廊的活動人員很少，建筑物負荷主要存在于辦公區(qū)域，在對建筑供能時，應當優(yōu)先保證辦公區(qū)域的舒適性.因此，相比于整體建筑負荷，分區(qū)負荷中并沒有計入樓層大廳、走廊及樓梯間等房間負荷，僅考慮了辦公區(qū)域負荷.結(jié)合表1可知如此分區(qū)計算負荷，不僅能夠減小系統(tǒng)的裝機容量，還能在對建筑供能時做到定空間供能，更易調(diào)節(jié)系統(tǒng)以達到合適的供能效果.

圖2 實驗樓不同樓層平面圖

表1 不同熱區(qū)冷熱負荷分布

2 建筑供能方案

根據(jù)前文分析，提出下面5種供能方案作為優(yōu)選備選方案.

方案1：針對建筑整體應用單臺地源熱泵機組供能；

方案2：分區(qū)應用兩臺地源熱泵共用地埋管群協(xié)作供能；

方案3：分區(qū)應用兩臺地源熱泵分用地埋管群協(xié)作供能；

方案4：針對建筑的不同方位房間分別應用單臺地源熱泵供能.

圖3 不同方案下的土壤熱不平衡率

以上4種方案均為地源熱泵系統(tǒng)組成，但目前在生活中應用地源熱泵系統(tǒng)容易出現(xiàn)這樣一些問題：地下土壤熱積聚，造成換熱失效，不能滿足制熱或制冷高峰負荷需求，導致高峰期制熱或制冷效果不佳，尤其是連續(xù)幾年運行之后，由于沒有有效解決地熱平衡問題，還會給地下土壤環(huán)境帶來熱污染.為了避免此種狀況，在已知全年建筑物負荷的情況下，通常會根據(jù)全年建筑負荷及地源熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)計算出土壤熱不平衡率，以便后續(xù)方案設(shè)計與改進.因此，需要考察以上4種方案的地源熱泵土壤熱不平衡率，其值由公式(1)確定.其計算結(jié)果展示如圖3所示.

(1)

公式中：QC為建筑物累計冷負荷，kWh；QH為建筑物累計冷負荷，kWh；COP為設(shè)計工況下的制熱能效比；EER為設(shè)計工況下的制冷能效比；η為地源熱泵土壤熱不平衡率.

由圖3可知，對建筑物采用不同的地源熱泵系統(tǒng)供能方案，明顯存在不同的土壤熱不平衡率，且都在10%以上，特別是方案2～方案4的土壤熱不平衡率均大于16%.盡管如此，由于在計算該土壤熱不平衡率時采用設(shè)計工況下的制冷/制熱能效比，而實際機組運行中并不能時刻保持著該能效比大小，且地下?lián)Q熱器的利用方式對實際運行過程中的地下?lián)Q熱量也有一定的影響.因此有必要做進一步的研究并在方案2中添加太陽能.據(jù)此提出了方案5：分區(qū)供能式太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng).

表2 各系統(tǒng)方案的部分參數(shù)

以上5種方案，除系統(tǒng)組成不同外，機組負荷側(cè)分區(qū)也不同.方案1是常規(guī)單機組地源熱泵供能系統(tǒng)，此方案中將建筑整體看作負荷側(cè)供能目標，以整體建筑負荷峰值進行機組選型，作為與分區(qū)供能方案對比的基準方案.方案2、方案3、方案5是兩機組分區(qū)供能方案.方案2、方案3同為兩機組地源熱泵分區(qū)供能系統(tǒng)且都將建筑兩個不同朝向負荷結(jié)合，分別作為兩個負荷側(cè).區(qū)別在于方案2中兩機組共用一套地埋管，而在方案3中兩臺機組分別配備一套地埋管.方案5在方案2的基礎(chǔ)上添加了太陽能用于提高蒸發(fā)器入口流體溫度.方案4則分別將4個朝向的負荷作為負荷側(cè)，配備4套地源熱泵系統(tǒng)為建筑供能.各方案的部分參數(shù)如表2所示.另外，方案1～方案5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4～圖8所示.其中由于方案1、方案3、方案4均由單獨地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成，在TRNSYS中只改變了負荷文件的輸入，因此僅以圖9展示在TRNSYS中的地源熱泵模型.圖8展示了在TRNSYS中方案2的模擬系統(tǒng)模型圖.展示了TRNSYS中方案5的模擬系統(tǒng)模型，如圖9所示.

圖10 方案2模型圖

圖11 方案5模型圖

3 系統(tǒng)方案模擬及結(jié)果分析

本文主要從以下三個方面進行分析研究：首先是不同方案所需鉆孔數(shù)差異分析，根據(jù)所需鉆孔數(shù)的差異，確定鉆孔投資最少方案；其次是以年末土壤溫度與年初土壤溫度的溫差最小為評價標準，考察不同方案全年運行后對地下溫度場的影響，確定對地下溫度場影響最小方案；最后分析不同方案下全年平均逐月機組耗能、全年逐月機組性能及全年系統(tǒng)性能，并通過對不同方案進行性能評級，確定具有最優(yōu)性能的系統(tǒng)方案.

3.1 不同方案下鉆孔數(shù)差異對比

根據(jù)機組額定性能參數(shù)及地埋管設(shè)計計算，得到了單一地源熱泵在不同方案下的地下最大取熱量、最大放熱量.由國家標準[21]可知，地埋管出口溫度設(shè)計要求為冬季地埋管最低出口溫度不低于4 ℃，夏季地埋管最高出口溫度不高于33 ℃.由此計算各方案所需鉆孔數(shù)的結(jié)果如表3及圖12所示.

表2 不同系統(tǒng)方案換熱量及所需鉆孔數(shù)

圖12 不同方案所需鉆孔數(shù)

由表3可見，方案1、方案2與方案4的最大取熱量為1 068.83 kW、852.30 kW、835.14 kW，最大放熱量為1 203 kW、990.65 kW、1 011.38 kW；方案2和方案3理論取放熱量相同.最大換熱量的不同導致了地埋管鉆孔數(shù)的不同，由圖12可知，在滿足建筑供能的前提下，采用整體式供能的方案1所需鉆孔數(shù)約是采用分區(qū)式供能的其余方案平均所需鉆孔數(shù)的1.57倍.因此，就鉆孔初投資而言，分區(qū)式供能系統(tǒng)比整體式供能方案投入更小.

3.2 不同供能方案對地下溫度場的影響對比

隨著季節(jié)的周期性變化，年末土壤溫度越接近初土壤溫度，地下溫度場受到的破壞越小.不同系統(tǒng)方案下的全年逐時溫度變化曲線，如圖13所示.由圖13可知，各系統(tǒng)方案的年末土壤溫度與年初土壤溫度差值分別為0.36 ℃、0.15 ℃、0.28 ℃、0.26 ℃、0.18 ℃.由于機組A與機組B在相互協(xié)作過程中存在單個機組占用全部地埋管，緩解了埋管局部區(qū)域土壤冷熱堆積現(xiàn)象，地埋管內(nèi)流體與土壤換熱率增大，因此方案2與方案5在系統(tǒng)運行過程中相比于其他方案地下土壤溫度波動范圍較大.

3.3 不同供能方案的壓縮機耗能及系統(tǒng)性能對比

除明確不同系統(tǒng)方案對地下溫度場的影響外，對系統(tǒng)運行性能影響的考察也同樣重要，因此還要對比不同機組能耗及系統(tǒng)性能的大小.

圖13 不同系統(tǒng)運行方案下全年逐時土壤溫度變化曲線

同系統(tǒng)運行方案下的逐月平均壓縮機耗功率，如圖14所示.由圖14可以看出分區(qū)式供能系統(tǒng)的耗功率明顯低于整體式供能系統(tǒng).這與分區(qū)式供能熱泵機組的間歇運行有關(guān)，盡管在熱泵啟動時，壓縮機的瞬時耗功增大，但啟動時間很短，間歇運行方案所增加的啟動耗功增加量對系統(tǒng)總耗功數(shù)值的影響并不明顯，而且機組總運行時長大幅度降低，最終導致了機組耗功率的明顯降低.方案4雖然分成了四組熱泵機組運行，緩解了單組熱泵供能的負荷壓力，但是也增多了壓縮機的數(shù)量，加大了整體耗功.

另外，本文采用全年系統(tǒng)性能參數(shù)TASCOP (The Annual System Coefficient Of Performance)對系統(tǒng)整體進行節(jié)能性評價.該值表示全年地源熱泵制熱量與制冷量的和對全年系統(tǒng)耗功的比值，其定義式可見公式(2).

(2)

公式中：t0與t1分別為開始時刻和結(jié)束時刻；QGSHP，H為全年地源熱泵的制熱量，kWh；QGSHP，C為全年地源熱泵的制冷量，kWh；EP水泵耗功，kWh；EGSHP熱泵耗功，kWh.

通過公式(2)可以得到不同系統(tǒng)的TASCOP值并表示如圖15所示.由圖15可知，方案1～方案5的TASCOP值分別為2.54、2.85、3.21、2.84、3.46.其中，方案5在全年系統(tǒng)性能比較中表現(xiàn)最好，TASCOP值為3.46，相比于方案1，其性能提高了36.22%，相比于無太陽能輔助蒸發(fā)器側(cè)的方案2其性能提高了21.40%.

4 結(jié) 論

以青島市某校園內(nèi)典型建筑物實驗樓為研究對象，對供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開研究.首先根據(jù)建筑物不同朝向的負荷需求差異，提出了5種建筑供能的方案，然后通過TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件建立了各個方案的系統(tǒng)模型，通過為期1年的系統(tǒng)模擬運行得到了以下結(jié)論：

(1)整體供能系統(tǒng)所需鉆孔數(shù)偏大，約是兩機組或多機組協(xié)同運行所需鉆孔數(shù)的1.57倍；

(2)整體式供能系統(tǒng)年末土壤溫度與年初土壤溫度溫差為0.36 ℃，而在分區(qū)式供能系統(tǒng)中此溫差為0.15 ℃～0.28 ℃；

(3)在5種供能方案中方案5分區(qū)供能式太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)性能最優(yōu)，其TASCOP值比方案1高了約36.22%，比方案2高了約21.40%.

根據(jù)校園典型建筑物實驗樓不同朝向的負荷需求差異，提出了分區(qū)式供能的方案，并進行了系統(tǒng)模擬分析，為今后建筑物供能結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的方向和思路，以推動建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展.