摘要：對夏熱冬冷地區某項目空調冷熱負荷進行詳細計算和分析，將雙冷凝器水源熱泵機組應用于冷卻塔輔助型復合式地源熱泵系統，通過靈活的機組配置及合理的運行策略解決了地源熱泵系統土壤釋熱量和取熱量的平衡問題，并詳細介紹了運行策略。由于理論計算和實際運行參數存在偏差，提出土壤溫度動態糾偏的理念，保證地下溫度場的長期平衡，達到地源熱泵系統長期高效、穩定運行的目的。

　　關鍵詞：復合式地源熱泵系統;雙冷凝器水源熱泵機組;運行策略;土壤熱平衡

　　1 項目概況

　　該工程為安徽省某政務辦公區項目，分為3個單體：政務服務中心，總建筑面積33887m2，地上16層;城市規劃辦公樓，總建筑面積8498m2，地上10層;城市規劃展覽館，總建筑面積5026m2，地上4層。

　　由于各單體功能使用時間一致，且峰值負荷出現在同一時刻，將各單體的最大負荷累加值作為系統的綜合最大值。夏季空調總冷負荷4850kW，冬季空調總熱負荷3224kW。

　　2 氣候及地質現狀

　　項目位于安徽省西部，淮河中游南岸，有多條河流和湖泊，地下水資源豐富。屬于亞熱帶季風氣候，四季分明。根據項目提供的巖土熱響應試驗報告，地層主要由黏土、砂夾卵石和強、中風化巖組成，巖土初始溫度17.15 ℃，巖土平均綜合導熱系數λ=2.01W/(m·℃)。

　　3 能源條件分析

　　項目冬、夏需要采用供暖和空調系統，周邊沒有市政熱源。

　　1)冬季室外溫度較低且濕度較大，空氣源熱泵機組存在反復融霜的問題，該項目不適宜采用。2)燃氣鍋爐冬季使用費用較高，且二氧化碳排放量較高，不利于環保。3)由于項目周邊地表水距離較遠，考慮到當地地下水豐富，土壤換熱效率較高，并且地層結構較簡單，適宜垂直鉆井施工，擬采用復合式地源熱泵，既解決空調供冷供熱需求，也達到節能減排目的。該項目夏季釋熱量和冬季取熱量的不平衡率較高，且項目沒有生活熱水需求，考慮經濟技術合理性，采用冷卻塔輔助型復合式地源熱泵。地埋管按冬季熱負荷設計，夏季散熱不足時，采用冷卻塔進行輔助散熱，在滿足使用要求前提下，以最大限度降低投資，維持地下冷熱平衡。

　　4 土壤換熱分析

　　夏季開啟制冷模式，排熱使地下換熱器周圍土壤溫度逐漸上升，系統效率逐漸降低;秋季系統不運行，土壤溫度有所下降;冬季開啟制熱模式，系統不斷吸收土壤熱量，土壤溫度下降;春季系統不運行，土壤溫度有所回升。若夏季的累計釋熱量與取熱量相等，換熱器周圍的土壤溫度將恢復到初始溫度。

　　地源熱泵可能長期有效運行[1]。5 冷熱源選型該工程夏季空調運行時間為6月5日至9月20日，冬季空調運行時間為12月5日至3月5日，對項目進行動態負荷模擬計算，假設冬、夏均采用地埋管工況運行，計算年總釋熱量為2309281kW·h、取熱量為931040kW·h，釋熱量約為取熱量的2.5倍，如果不采取措施，系統運行后將導致土壤環境溫度升高，運行效率下降甚至系統癱瘓。

　　為此，采用冷卻塔作為輔助散熱，解決地埋管系統冷熱不平衡的問題。根據項目的負荷特性，選用1臺水冷冷水機組(制冷量1627kW)、1臺單冷凝器水源熱泵機組(制冷量1627kW、制熱量1637kW)和1臺雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況制冷量1627kW、制熱量1637kW)。水冷冷水機組對應冷卻塔運行，單冷凝器水源熱泵機組對應地埋管工況運行。雙冷凝器水源熱泵機組的一個冷凝器對應冷卻塔運行，另外一個冷凝器對應地埋管運行，可根據項目負荷特點和實際運行需求靈活切換冷凝器使用工況。

　　5 運行策略

　　眾多學者對冷卻塔輔助型復合式地源熱泵系統控制策略進行了深入研究，提出了一些控制方法，如分時段溫度控制[2]、溫度控制[3]、濕球溫度溫差控制[45]。但是不同項目所在地區的氣象參數、負荷特征等均有差異，需要針對每1個項目定制適宜的運行策略。

　　方案①：總釋熱量2176566kW·h，大于總取熱量，熱不平衡率57.2%;方案②：總釋熱量1437798kW·h，大于總取熱量，熱不平衡率35.2%;方案③：總釋熱量1038238kW·h，大于總取熱量，熱不平衡率10.3%;方案④：總釋熱量905523kW·h，小于總取熱量，熱不平衡率-2.7%;方案⑤：總釋熱量132715kW·h，小于總取熱量，熱不平衡率-85.7%。

　　以上5種運行方案比較，方案④熱不平衡率-2.7%，為所有方案中最低，且在夏季初、末和早晚冷負荷較低時，優先啟用冷水機組，充分利用室外濕球溫度較低時冷水機組能效較高的優勢。隨著冷負荷增加，室外濕球溫度升高，冷卻塔工況能效優勢降低，加載單冷凝器水源熱泵機組，發揮土壤溫度較低的優勢，提高系統運行能效。

　　1)當2臺機組均不能滿足室內負荷要求時，加載雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況)用于平衡全年釋熱量和取熱量，實現土壤溫度恒定。GB50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》要求地埋管換熱器出口溫度宜≤33℃[6]，方案④運行過程如果地埋管換熱器出口溫度>33℃，可切換為優先運行雙冷凝器水源熱泵機組(冷卻塔工況)，以滿足系統的高效運行以及避免主機高溫故障報警。

　　2)地埋管分區控制、交替運行。豎直埋管井536口，間距均為4.5m，鉆孔深120m，分4個區，每區埋管數量相當、換熱能力相近，水源熱泵機組之間運行切換和單臺機組部分負荷運行時(地源側變流量控制)，通過機房內地埋管片區總管的電動閥開閉，實現不同場地地埋管交替運行，以利于系統的高效運行和地下溫度場的恢復。

　　3)土壤溫度動態糾偏。由于地質、滲流等土壤換熱的復雜性，軟件計算結果難以與實際土壤換熱情況相同，加上氣候變化以及空調實際使用頻率、負荷強度和持續性等不可預測因素，設計的系統運行方案可能會導致土壤的溫度失衡，有必要對土壤溫度進行監測和動態糾偏。該工程豎直埋管井占地面積10854m2，區域內埋管土壤總容積 1302480 m3，土壤熱容約2000kJ/(m3·℃)，次年土壤平均溫降/溫升按照0.1℃考慮。

　　即便不考慮向周圍土壤擴散，熱不平衡量犙=犆犞Δ狋=2000×1302480×0.1/3600=72360kW·h，為夏季總釋熱量的3%，為冬季總釋熱量的7%。為了保持土壤溫度穩定，避免造成常年土壤熱、冷堆積，以土壤平均溫度浮動0.1℃作為控制精度。以一個冬、夏季為空調運行周期，下一年夏季運行時對地溫監測進行判斷，如土壤溫度超過17.25℃(高于土壤初始溫度0.1℃時)，采用方案⑤運行，減少對土壤釋放熱量;如土壤溫度低于17.05℃(低于土壤初始溫度0.1℃時)，采用方案①運行，增加對土壤釋放熱量。通過以上措施，動態調整土壤溫度，維持土壤溫度的動態平衡。

　　7 結語

　　通過全年動態負荷的計算和深入分析，制訂相對準確、高效的運行方案。提出將雙冷凝器水源熱泵機組應用于復合式地源熱泵系統，機組配置靈活，采用雙冷凝器機組冷卻塔工況供冷，同時冬季可空調供熱，避免了通過增加冷水機組容量而帶來的初投資增加，且可以對土壤溫度進行動態糾偏，確保了地源熱泵空調系統長久穩定、高效運行。

　　參考文獻：

　　[1] 王勇，李文欣，付祥釗，等.復合式地源熱泵理論與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2021

　　[2] 魏俊輝，褚賽，劉啟明，等.基于土壤冷熱平衡的復合能源系統運行策略研究[J].暖通空調，2021，51(6)：82 87.

　　[3] 滿意.地源熱泵復合系統的研究[D].濟南：山東建筑大學，2007：.

　　[4] 徐永軍.重慶地區復合式地源熱泵系統的應用及控制策略研究[D].重慶：重慶大學，2011：.

　　[5] 剛文杰，王勁柏.復合地源熱泵系統土壤換熱器預測模型研究[J].流體機械，2012(1)：65 69.

　　[6] 徐偉，鄒瑜，刁乃仁，等.地源熱泵系統工程技術規范：GB50366—2009[S].北京：中國建筑工業出版社，2009：.

　　作者：張 抗☆ 唐浩然 孟 欣