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混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较点击：1634 日期：[ 2014-04-26 21:39:40 ] |
| 混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较 华中科技大学 谢 鹂 徐菱虹 中南建筑设计院 张银安 摘要：提出了适用于最常见的两种混合式地源热泵系统———冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统的控制策略。选取武汉和哈尔滨为代表城市,以某一小型办公楼建筑为研究对象,对两种混合式地源热泵系统在不同控制策略下的运行情况进行了仿真,分析比较了各种控制策略下的热平衡及能耗状况。 关键词：混合式地源热泵系统 冷却塔 锅炉 控制策略 0 引言 混合式地源热泵系统的控制策略主要是指对辅助散热(吸热)设施运行条件的控制[1],控制方案对整个系统的经济性、运行效果及运行费用等都有着极为重要的影响。本文旨在对混合式地源热泵系统在不同气候地区的最佳控制方案及相应的自动控制技术进行初步的研究,以求达到最佳的运行效果与最小的经济投入。 1·确定系统结构 为了进行模拟仿真,选取一栋小型办公建筑为研究对象,对其进行混合式地源热泵系统设计。对应于需配置辅助散热设施和辅助吸热设施两种情况,分别在该办公楼设立冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统。经过比较,南方地区(夏季冷负荷大于冬季热负荷)选取武汉、北方地区(冬季热负荷大于夏季冷负荷)选取哈尔滨进行计算,得到的计算冷/热负荷分别为163.7 kW/119.kW,140.4 kW/205.7 kW。 1.1 地源热泵系统 1)系统形式:采用工程中应用最普遍的竖直并联单U形埋管方式,管径25 mm,钻孔孔径110mm,钻孔间距3 m,埋深80 m。 通常情况下应通过板式换热器将地埋管换热器环路与辅助散热(吸热)设施环路分开,从而使地埋管换热器可以独立于冷却塔运行,同时解决了两环路对水质要求不同的冲突。由于串联方式流量恒定,便于控制且模拟计算易收敛,故将辅助散热(吸热)设施旁通后与地埋管换热器串联连接。 2)地埋管管材:PE80级聚乙烯管材,公称外径25 mm,标准尺寸比SDR11,公称压力1.25 MPa[2]。 3)传热介质:水。 4)防冻剂:体积分数为25%的乙醇溶液。 5)回填材料:膨润土+砂浆。 系统示意如图1所示,武汉的办公楼采用冷却塔-地源热泵系统,哈尔滨的办公楼采用锅炉-地源热泵系统。 1.2 地埋管换热器 竖直地埋管换热器的供冷、供热埋管长度可按以下公式计算[3-4]。 供冷埋管长度Lc: (1) 供热埋管长度Lh: (2) 式(1),(2)中 Qc为热泵机组额定制冷量,kW;Rf为传热介质与U形管内壁的对流换热热阻,m·K/W;Rpe为U形管的管壁热阻,m·K/W;Rb为钻孔灌浆回填材料的热阻,m·K/W;Rs为地层热阻,m·K/W;Rsp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻,m·K/W;Fc为制冷运行比例;tmax为制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度,℃;t∞为埋管区域岩土体的初始温度,℃;EER为热泵机组制冷性能系数;Qh为热泵机组额定制热量,kW;Fh为供热运行比例;tmin为供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度,℃;COP为热泵机组供热性能系数。 最终埋管长度取两者之中的小值,即L=min(Lc,Lh)。 由此得到冷却塔-地源热泵系统、锅炉-地源热泵系统的埋管长度分别为5 411 m和7 455 m。其中冷却塔-地源热泵系统的地埋管换热器布置成5行×6列,锅炉-地源热泵系统的地埋管换热器布置成5行×8列,均分5组,各组由供、回水水平连接管分别接至地埋管系统分、集水器,组内各环路同程连接。 1.3 辅助散热(吸热)装置 对于冷却塔-地源热泵系统,由于冷负荷大于热负荷,故系统埋管长度以满足供热要求来确定,即取Lh。在实际运行过程中,为了平衡全年土壤中的取、放热量,必须综合考虑实际运行负荷、运行时间、机组性能及系统控制策略等因素以确定冷却塔的制冷容量。Kavanaugh提出的计算式为[5] 式中 Q′c为辅助散热装置的设计散热能力,W;Q′s1为整个系统夏季的放热量,W。 对于锅炉-地源热泵系统,由于热负荷大于冷负荷,故系统埋管长度以满足制冷要求来确定,即取Lc。类比式(3)有 式中 Q′h为辅助吸热装置的设计吸热能力,W。Qs2为整个系统冬季的取热量,W。 计算得冷却塔和锅炉的容量分别为75 kW和100 kW。 2 建立系统模型 2.1 模型构建 暖通行业的仿真软件中有一类专用于暖通空调系统能量特性和控制特性模拟的,如HVACSIM+,TRNSYS等。该类软件以整个系统中各部件为单元,按照各部件的压力、流动方程及质量能量平衡等进行计算,因此适用于系统的控制分析和控制器设计。本文选用TRNSYS软件作为仿真平台并建立混合式地源热泵系统的模型。 建立系统模型时,首先需要建立其各组成部分的数学模型,然后根据具体的仿真对象,确定模型中的所有参数,并按照实际系统的设备布置情况,利用一定的方式将所有的数学模型串接起来,形成闭式计算回路,之后进行仿真调试,当整个系统每个时刻的计算都收敛后,系统模型即算建成[6-7]。 2.2 控制策略 冷却塔-地源热泵系统控制策略有3种:热泵流体最高温度控制、温差控制和冷却塔开启时间控制[8]。 1)热泵流体最高温度控制 此控制方案主要是根据所在地区的具体气候特点及建筑物负荷,事先设定好热泵流体的最高温度,当在运行过程中达到或超过此设定极限温度时,启动冷却塔及其循环水泵进行辅助散热。经反复调试后选择设定值为26℃。考虑以下两种方案:①设定热泵进口流体最高温度(策略1);②设定热泵出口流体最高温度(策略2)。 2)温差控制 此控制方案主要是对热泵流体温度与周围环境空气湿球温度之差进行控制,当其差值超过设定值时,启动冷却塔及其循环水泵进行辅助散热。考虑以下两种方案:①当热泵进口流体温度与周围环境空气湿球温度之差大于2℃时,启动冷却塔及其循环水泵,直到该差值小于1.5℃时关闭(策略3);②当热泵出口流体温度与周围环境空气湿球温度之差大于2℃时,启动冷却塔及其循环水泵,直到该差值小于1.5℃时关闭(策略4)。 3)冷却塔开启时间控制 此控制方案主要借助土壤的短期及长期蓄热作用来避免或抵消系统长期运行所产生的热积累导致的土壤温升,维持土壤温度在恒定的范围内。考虑到夜间室外气温比较低,此控制方案通过在夜间开启冷却塔运行6 h(午夜12:00至早上06:00)的方式将多余的热量散至空气中。为了避免出现水环路温度过高的情况,方案中采用设定热泵进口流体最高温度的方法作为补充。考虑以下两种方案:①全年夜间开启冷却塔及其循环水泵(策略5);②供冷季(5~9月)开启冷却塔及其循环水泵(策略6)。 锅炉-地源热泵系统控制策略有2种:热泵流体最低温度控制和锅炉开启时间控制。 1)热泵流体最低温度控制 此控制方案主要是根据所在地区的具体气候特点及建筑物负荷,事先设定好热泵流体的最低温度,当在运行过程中达到或超过此设定极限温度时,启动锅炉及其循环水泵进行辅助加热。经反复调试后选择设定值为5℃。考虑以下两种方案:①设定热泵进口流体最低温度(策略1);②设定热泵出口流体最低温度(策略2)。 2)锅炉开启时间控制 此控制方案类似于冷却塔开启时间控制。考虑到夜间是能源(电、燃气)消耗低谷,价格也较便宜,此控制方案通过在夜间开启锅炉运行6 h(午夜12:00至早上06:00)的方式从锅炉补充热量至土壤中。为了避免发生水环路温度过低的情况,方案中采用设定热泵进口流体最低温度的方法作为补充。考虑以下两种方案:①全年夜间开启锅炉及其循环水泵(策略3);②供热季(10月~次年4月)开启锅炉及其循环水泵(策略4)。 2.3 模拟运行 取模拟时间为10 a,步长为1 h,冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统在各自的控制策略下的运行效果如图2、图3所示。图中曲线的变化趋势可以表征整个热泵系统运行过程中的热平衡状况,亦能在一定程度上反映地埋管区域土壤温度的变化情况。 3·结果分析 本文为针对混合式地源热泵系统控制策略的分析与比较,因此主要以系统的长期运行效果及运行能耗、费用作为研究依据。 3.1 冷却塔-地源热泵系统 模拟期间不同控制策略下热泵机组、主环路(地埋管环路)循环水泵、冷却塔、二级环路(冷却塔环路)循环水泵的年均用电量如表1所示。 冷却塔及其循环水泵的运行时间与所承担的冷负荷有关,冷负荷越大,运行时间越长。图2a显示策略1下地埋管换热器出口流体温度先逐年上升,于第3年开始趋于稳定,之后持续保持在10~32℃范围内。冷却塔及其循环水泵用电量逐年小幅增长,反映了运行时间的不断延长亦是与温度的上升相关联的。系统年均总用电量为105 215kWh;按峰谷电价(峰电0.56元/(kWh),谷电0.28元/kWh,下同)计算,年均运行费用为5.37万元。策略2与策略1在运行效果及能耗上差别均不大。图2c显示策略3下地埋管换热器出口流体温度非常稳定,一直保持在5~31℃范围内。系统年均总用电量为105 133 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为5.35万元。策略4运行效果与策略3相似,地埋管换热器出口流体温度保持在5~30℃范围内,系统年均总用电量为105 088 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为5.35万元。图2e显示策略5下地埋管换热器出口流体温度在前3年升高明显,从第4年开始上升趋势减缓,但仍以小幅度逐年升高,截至第10年时出口流体温度大致处于10~37℃范围内。系统年均总用电量为103 090 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为泵系统用电量5.20万元。图2f显示策略6下地埋管换热器出口流体温度在前4年持续大幅升高,至第5年开始逐渐趋于稳定,出口流体温度最高时接近40℃,最低亦达15℃。系统年均总用电量为103 794 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为5.29万元。 综上所述,从土壤温度场恢复及运行效果方面分析,温差控制明显优于热泵流体最高温度控制和冷却塔开启时间控制两种方案;从系统能耗方面分析,温差控制居中。温差控制充分利用了冬季土壤的蓄冷作用,同时在春、夏、秋季条件最有利时自动定期将土壤中的部分多余热量通过冷却塔释放至空气中,不失为冷却塔-地源热泵系统最佳的控制方式。 温差控制中的策略3与策略4的差别在于前者使用热泵进口流体温度作为控制参数而后者则是采用热泵出口流体温度。因热泵出口流体温度较高,策略4中冷却塔及其循环水泵运行时间略长于策略3,但热泵机组用电量减少,故从温度场的稳定和总能耗的大小两方面比较,均属策略4占优。 考虑到热泵机组在过渡季可能关闭以达到节能的目的,实际应用中主环路循环水泵应选用多速或无级调节型,在热泵机组停止运行期间仅保留所需的最小循环水量,系统能耗将进一步降低。 3.2 锅炉-地源热泵系统 模拟期间不同控制策略下热泵机组、主环路(地埋管环路)循环水泵、锅炉、二级环路(锅炉环路)循环水泵的年均用电量如表2所示。 图3a显示策略1下地埋管换热器出口流体温度非常稳定,无明显升降现象,基本维持在2~20℃范围内。系统年均总用电量为450 576 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为22.24万元。 图3b显示策略2下地埋管换热器出口流体温度较稳定,在4~22℃间变化,较策略1整体升高了2℃。系统年均总用电量为507 366 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为25.00万元。图3c显示策略3下地埋管换热器出口流体温度呈逐年缓慢升高趋势,说明热泵系统的放热量略大于取热量,土壤中存在轻微的热量积累现象,截至第10 a时出口流体温度大致处于-2~24℃范围内。系统年均总用电量为511 719 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为21.19万元。图3d显示策略4下地埋管换热器出口流体温度呈逐年缓慢降低趋势,说明热泵系统的放热量略小于取热量,土壤中存在轻微的冷量积累现象,截至第10 a时出口流体温度大致处于-3~16℃范围内。系统年均总用电量为439 060 kWh,按峰谷电价计算,年均运行费用为19.88万元。 综上所述,从土壤温度场恢复及运行效果方面分析,热泵进口流体最低温度控制最佳。锅炉-地源热泵系统在控制锅炉开启时间控制策略下运行,很容易出现热平衡失调现象,若要取得与热泵进口流体最低温度控制同等稳定的温度场,系统能耗将大于后者。 为便于模拟分析,本文选用电热水锅炉作为辅助加热装置,从节能的角度出发并不科学,实际应用中应采用燃气锅炉,条件适宜的地区还可采用太阳能辅助加热装置。 4·结论 4.1 对于典型的小型办公建筑,在冷热负荷不均衡的情况下,混合式地源热泵系统不仅表现出良好的运行效果,有效地避免了热累积和热污染现象,而且减少了大量的钻孔和埋管工程量,很大程度地降低了系统的一次投资。 4.2 通过逐一模拟分析和比较针对冷却塔-地源热泵系统提出的控制策略,得到温差控制中的策略4(以热泵出口流体温度与环境湿球温度差为控制参数)为最佳方案。该控制策略全年及长期运行热平衡效果最好,同时运行费用相对较低;充分利用了地埋管换热器及土壤的蓄冷能力,冬季蓄积冷量,春、夏、秋季条件最有利时释放热量。 4.3 通过逐一模拟分析和比较针对锅炉-地源热泵系统提出的控制策略,得到热泵进口流体最低温度控制为最佳方案。该控制策略全年及长期运行热平衡效果最好,同时运行费用低;避免了长时间开启辅助加热设备引起的能源浪费。 4.4 采用混合式地源热泵系统可以在减少钻孔工程量的同时节约占地面积。本文采用的冷却塔-地源热泵系统和锅炉-地源热泵系统的占地面积分别降至原有系统(无辅助散热(加热)设备的单一系统)的46%和53%。此外,混合式地源热泵系统埋管长度的减小使得其循环水泵的运行费用显著减少。 参考文献： [1]杨卫波,施明恒.混合地源热泵系统(HGSHPS)的研究[J].建筑热能通风空调,2006,25(3):20-26 [2]山东胜利股份有限公司塑胶事业部. 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