华东大型客站地源热泵空调系统运行策略研究

2016年全国铁道与城轨暖通学术年会华东地区大型客站地源热泵空调系统运行策略研究周翔

副教授同济大学暖通空调研究所

地源热泵课题组2016.10.27课题团队

同济大学暖通空调研究所地源热泵课题组

张旭

教授

高军教授、周翔

副教授、苏醒助理教授

研究生：郑晓薇、涂书阳……

上海铁路局建设管理处

铁道第三勘察设计院

中铁第四勘察设计院

中南建筑设计院

……一.研究背景

现代化大型铁路客站大部分远离市区，市政能源供应受限，分布式能源需求大；

设计运行得当的地源热泵系统能有效利用可再生能源，实现节能环保的目的；

华东地区大型铁路客站应用地源热泵技术，冬夏季空调和采暖需兼顾，地埋管取放热强度高，连续运行时间长，该类型的大规模复合式地源热泵系统在设计选型上偏离了以可靠性为基准的设计理论，运行策略将直接影响其运行效率和可靠性；

运行阶段地埋管周围有限岩土体温度变化的动态特性及热承载力限值引起的地埋管群换热量衰减应予以充分考虑。一.研究背景

在设计阶段，如何引入运行策略对系统可靠性的影响？20181614121083#机组出口水温3#机组进口水温2#机组出口水温2#机组进口水温1#机组出口水温1#机组进口水温

华东地区大型客站的复合式地源热泵系统以冷负荷为主导，冬季的热负荷可由地源热泵单独承担，通常不设置辅助热源，这种做法在实际运行中是否可靠？

在运行阶段，华东地区大型客站的复合式地源热泵系统按照怎样的运行控制策略才能既保证地源热泵系统的稳定可靠运行，又能提升系统能效体现地源热泵技术节能性？6412/612/1312/2012/271/31/10时间某客站建成后第一个供热季运行，连续运行约40天后，地埋管换热器的出水温度已经恶化，致使地源热泵机组出力严重不足，候车大厅热环境状况不佳。二、研究内容1.大型客站地埋管埋管换热特性研究在铁路客站地源热泵系统设计中，采用站台下条形布管的方式，效果优于传统的等间距埋管方案。传统布管夏季平均温升要比条形布管高6.9℃，夏季传热效率平均比条形布管低15.1%，各站台下地埋管管群换热相互干扰较小，地埋管周围积聚的热量可更快地扩散到土壤远端，有利于提高地埋管换热器的传热效率。站台条形布管对土壤温度分布的影响25冷凝器放热24蒸发器取热232221201918冬夏运行先后次序对地温的影响空调季过渡季

供暖季过渡季对于理想循环，蒸发温度对

COP

的影响要大于冷凝温度。夏季先运行时，夏季储热，冬季取热，有利于改善冬季运行时蒸发器的性能，故建议地源热泵系统在工程进度允许的前提下优先从夏季开始运行45678910

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1234month一年中土壤平均温度月变化曲线二、研究内容1.大型客站地埋管埋管换热特性研究

土壤温度对地埋管换热性能的影响1.11.00.90.80.70.6夏季设计负荷，54W/m夏季计算负荷Q1,de5temp421

运行后期，埋管周边出现热堆积现象，换热性能发生较大衰减20.820.620.420.22019.819.619.419.21918.818.618.418.218Q1,run321056789month根据土壤温度修正的夏季放热量0123459月末1.11.00.90.80.75冬季设计负荷,81W/m冬季计算负荷Q2,detemp4321017.817.617.417.21716.816.616.416.21615.815.615.415.215Q2,

run14.814.61212month0123453月中旬根据土壤温度修正的冬季取热量二、研究内容2.大型客站地源热泵设计风险性分析某客站2012年夏季运行数据基于TRNSYS的复合式地源热泵系统仿真模型实际运行过程单位井深换热量q与建筑应用TRNSYS模拟平台，建立复合式地源热泵系统仿真模型，联合地埋管参数、机组性能、建筑负荷等多扰量动态耦合计算，能够合理预测不同单位埋管土壤换热量设计值下系统风险冷（热）负荷、热泵机组效率相互耦合q的取值对于系统运行风险和埋管投资密切相关率二、研究内容2.大型客站地源热泵设计风险性分析

基于机组保护温度的单位井深换热量q限值

不同单位井深换热量q对应的埋管设计方案，模拟得到土壤、流体年最高温度

夏季机组允许的最高流体温度45℃，冬季允许最低流体温度5℃，可以得到满足机组保护温度需求的换热量q的推荐限值45℃5℃日运行小时数12h/16h/24h二、研究内容2.大型客站地源热泵设计风险性分析

基于负荷不满足率的运行风险分析

夏季冷凝温度上升-机组制冷能力衰减，冬季蒸发温度上升-机组制热能力衰减夏季冷负荷和机组制冷能力变化图冬季热负荷和机组制热能力变化图二、研究内容2.大型客站地源热泵设计风险性分析系统风险率热泵机组进水温度冬QwQl季室内可接受温度系统风险率

=1-运行风险系统优化结果为qmax=22.8W/m评Qw为机组实际制冷/热量Ql

为建筑所需逐时负荷值估冬季工况，τ=018℃，q

=16.7W/mmax夏16℃，q

=19.7W/m季max运行夏季工况，τ=0风26℃，q

=25.8W/m险max评28℃，q

=36.8W/mmax估土壤和埋管水温逐月变化图二、研究内容3.大型复合式地源热泵系统设计匹配

铁路客站多热源设置和匹配土壤热源热泵冷水机组+冷却塔电锅炉土壤热源热泵冷水机组+冷却塔风冷热泵土壤热源热泵双工况冷水机组+冷却塔+蓄冰装置电锅炉+蓄热装置二、研究内容3.大型复合式地源热泵系统设计匹配

在地埋管侧预留并联冷却塔接口以克服地埋管施工运行中的风险某客站运营初实测站厅温度某客站并联冷却塔运行后实测站厅温度

夏热冬冷地区也建议设置小型辅助热源某客站增加辅助电锅炉前地源侧进出口水温

某客站增加辅助电锅炉后地源侧进出口水温二、研究内容3.大型复合式地源热泵系统设计匹配控制柜地埋管冷却塔fanTsoilTwgTgsx机组进出水温监测PToutTin地温监测地源热泵机组冷却塔—地源热泵系统监控系统简图

设置地温监测系统，监测运行期间地埋管周围有限岩土体温度变化及热堆积，是实现地源热泵系统的可靠高效运行的有效保证二、研究内容4.复合式地源热泵系统全年运行控制策略优化

某大型客站地源热泵系统的运行控制策略效果测试热泵制冷容量冷机制冷容量2010-11-29

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2011-1-13182011-1-282011-2-124440363228241.8x101.6x101.4x101.2x101.0x108.0x106.0x104.0x102.0x104444433332012年地埋管出水温度20122010年地埋管出水温度2010年地埋管进水温度年地埋管进水温度161412108地埋管出水温度地埋管进水温度6202012-6-10.02012-6-212012-7-112012-7-312012-8-202012-9-942012年6月13日

2012年7月17日2012年8月22日2012-11-29

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2013-1-132013-1-282013-2-12日期2012年夏季制冷运行工况时间日期2010、2012年冬季运行工况对比2012夏季制冷系统运行份源热泵夏季的充分运行蓄热是冬季稳定运行的必要条件地埋管出水温度地埋管进水温度62012-11-29

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2013-1-132013-1-282013-2-12日期2012年冬季制热运行工况二、研究内容4.复合式地源热泵系统全年运行控制策略优化

地源热泵一定时间的间歇甚至是负荷降低都有利于地温恢复，改善下一运行阶段的土壤换热能力和系统运行可靠性

夏季在地源热泵始终优先运行的运行策略下，制冷季末期地埋管水温升高至40℃以上，地源热泵的能效降低40108地埋管出水温度地埋管进水温度地埋管出水温度地埋管进水温度4442403836343230282624222090008000700060005000400030002000100004442403836343230282624222090008000700060005000400030002000100003530252015105进地源热泵机组地埋水温度进冷水机组冷却水温度热泵机组冷水供水温度冷水机组冷水供水温度64地源热泵子系统COP冷水机组子系统COP202012年6月29日2012年7月7日2012年7月14日2012年8月22日2012年7月15日2012年8月5日2012年7月20日2012年8月5日2012年8月22日时间时间时间第三阶段的地源热泵子系统和冷水机组子系统COP变化2012年夏季运行第二阶段数据2012年夏季运行第三阶段数据二、研究内容3.复合式地源热泵系统全年运行控制策略优化

编写复合式地源热泵系统的运行指南日平均温度（T）5℃<

T机组开启策略一台地源热泵机组两台地源热泵机组三台地源热泵机组日最高温度（T）≤20℃机组开启策略一台地源热泵机组两台地源热泵机组一台地源热泵机组+一台冷水机组0℃<

T≤5℃T≤0℃20℃<T≤23℃23℃<T≤25℃电锅炉为供热季的辅助热源：当地埋管回水温度不低于15℃时，电锅炉可不开启；当地埋管回水温度介于10℃到15℃之间时，电锅炉谷电时刻开启；当地埋管回水温度低于10℃时，电锅炉开启，与地源热泵共同承担热负荷日最高温度（T）25℃<T≤28℃28℃<T≤30℃30℃<T≤33℃℃<T≤35℃机组开启策略2A+B夜平均温度（t）25℃<

t≤27℃27℃<

t≤30℃30℃<

t≤32℃32℃<t≤35℃t>35℃机组开启策略2BA+2B3BA+2B2A+2B气候概况及负荷特性分析33A+3BA+3B2A+3BT>35℃2A+3B若地埋管回水温度连续5日日间平均值超过34℃日最高温度（T）25℃<

T≤27℃27℃<

T≤30℃30℃<

T≤32℃32℃<

T≤35℃T>35℃机组开启策略冬季运行策略2BA+2B3BA+3B2A+3B夏季运行策略A---地源热泵机组，B---冷水机组运行策略三、结论

大型地源热泵运行阶段地埋管周围有限岩土体温度变化的动态特性及热承载力限值引起的地埋管群换热量衰减，需要在设计时予以充分考虑

建立地埋管系统换热量与埋管参数、机组性能、建筑负荷等多扰量动态耦合计算的TRNSYS模型，预测大型地源热泵运行阶段的埋管水温变化（机组保护温度）及机组出力衰减导致的运行风险，以校核单位井深换热量q取值

提出以土壤全年热平衡为基础的华东地区大型客站复合式地源热泵系统中地源热泵机组与辅助冷热源（冷却塔、锅炉、冰蓄冷、风冷热泵