混合式地源热泵系统不同控制.doc

混合式地源热泵系统不同控制策略的分析与比较 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 Abstract: Provides control strategies being applicable for two kinds of common hybrid ground-source heat pump systems—the cooling tower-ground source heat pump system and the boiler-ground source heat pump system. Selecting Wuhan and Harbin as representative cities and taking a small-sized office building as study object, simulates the operation conditions of the two systems under different control strategies, and analyses and compares the heat balance and energy consumption. Keywords：hybrid ground-source heat pump system, cooling tower, boiler, control strategy. 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/119.7kW,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1.25MPa[2]。传热介质:水。 3)防冻剂:体积分数为25%的乙醇溶液。 4)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: Lc=1 000Qc[Rf+Rpe+Rb+RsFc+Rsp(1-Fc)]tmax-t∞EER+1EER(1)供热埋管长度Lh: Lh=1 000Qh[Rf+Rpe+Rb+RsFh+Rsp(1-Fh)]t∞-tminCOP-1COP(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