256-基于武汉气候特征的地源热泵系统冷却塔运行策略研究.pdfVIP

基于武汉气候特征的地源热泵系统冷却塔 运行策略研究 武汉科技大学 苏顺玉 胡柱石 摘要：利用Fluent 软件对武汉科技大学教五楼空调系统建立模型，并进行动态负荷的 模拟，研究武汉这一类夏热冬冷地区的冷热负荷特性，从而为武汉科技大学教五楼地源热泵 系统进行间歇性运行策略调整。比较不同情况下的系统能耗以及土壤温度场的变化，以期得 到最佳的间歇运行策略，不仅能够提高地源热泵机组的效率，降低能耗，而且还能缓解土壤 的冷热堆积现象。 关键词：混合式地源热泵；地埋管；冷却塔运行策略；冷热堆积 0 引言 伴随着人类社会技术经济的高速发展，人们对能源的需求和使用也变得更加的苛刻，常 规能源的日渐匮乏和人类对自然环境的破坏愈来愈严重，开发新能源以及节能减排的战略作 用日益凸显。土壤源热泵是一种可在再生能源利用技术，具有极大的节能潜力[1-3] 。在国内， 这项新技术受地方地质条件、气候特性、技术条件、建筑围护结构等因素的影响，在实际应 用过程中仍存在许多亟待解决的问题[4] 。 以武汉为代表的夏热冬冷地区的建筑，全年冷热负荷并不均衡。地源热泵系统向土壤的 排热量大于从土壤中的取热量，导致冷热堆积破坏土壤的温度场，进而影响地埋管换热器与 土壤之间的换热性能，降低系统的运行效率。为了缓解土壤温度场的冷热堆积[5]，本文对 混合式地源热泵系统（地埋管+冷却塔）的运行工况进行优化，制定不同的间歇运行策略， 使土壤温度场得到有效的热平衡控制，同时还能对地源热泵机组高效节能地运行起到一定的 促进作用。 1 混合式地源热泵系统 1.1 建筑负荷特性 以武汉科技大学教五楼的空调末端为研究对象，对其混合式地源热泵系统进行间歇运行 研究。由于教五楼的地源热泵系统末端基本上就在五楼的办公室，总建筑空调面积大约为 650m2 [6] ，地源热泵系统末端模型简化为单层建筑模型 。 利用DEST 模拟软件计算出该建筑模型全年累计冷负荷为 112285.34 KWh ，累计热负 荷85714.5 KWh 。制冷季冷负荷指标为56.24W/m2 2 ，供热季热负荷指标为39.81 W/m 。全年 冷热负荷比例约为1.31:1。武汉地区的夏季供冷期为6 月1 日至9 月30 日，冬季供暖期为 12 月1 日至第二年2 月28 日。建筑全年动态负荷如图1 所示。 1.2 混合式地源热泵系统及运行策略 有研究表明，在武汉这种夏热冬冷的气候特征地区制冷的季节，建筑物的冷负荷比较大， 地缘热泵长期运行之后，由于土壤的热堆积现象导致冷源侧回水温度的持续升高，冷却塔辅 第一作者：苏顺玉，男，1968 年2 月生，博士，教授。 通讯地址：湖北省武汉市雄楚大道199 号武科大洪山校区15 信箱。邮编：430070 联系电话 Email: shunyusu@ 籍贯：湖北省鄂州市人。毕业于华中科技大学，现从事暖通空调节能、地源热泵系统优化等方面的研究。 助散热有利于地源热泵系统的长期高效地运行 [7-9] 。在本文中武科大教五楼的空调系统采用 的是以冷却塔作为辅助冷源的混合式地源热泵空调系统，即在以土壤地埋管散热承担主要冷 负荷的同时，再加以冷却塔辅助散热，地埋管和冷却塔两部分共同承担总建筑冷负荷。本系 统将地埋管与冷却塔并联连接，可以根据系统冷热负荷的需要启停冷却塔。 图1 建筑全年动态逐时负荷图 如何发挥出混合式地源热泵系统的优势，使系统机组达到降低能耗，提高系统的运行效 率的作用，关键在于系统中冷却塔的辅助散热效果，主要还是取决于地埋管和冷却塔之间的 控制运行策略。混合式地源热泵的运行控制策略主要是对不同运行工况下冷却塔启停的控 制，目前冷却塔的控制方案主要有以下三种[10] ：⑴机组进 （出）口最高温度控制：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特性，先设定好热泵进(出) 口流体的 最高温度，当在运行过程中达到或超过此设定温度值时，启动冷却塔及其循环水泵进行辅助 散热，该值通常设定为35.8℃；⑵机组进出口温差控制：温差控制主要对热泵进(出) 口流体 温度与室外