華東大型客站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行策略研究

2016年全國鐵道與城軌暖通學(xué)術(shù)年會華東地區(qū)大型客站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行策略研究周翔

副教授同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)研究所

地源熱泵課題組2016.10.27課題團(tuán)隊

同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)研究所地源熱泵課題組

張旭

教授

高軍教授、周翔

副教授、蘇醒助理教授

研究生：鄭曉薇、涂書陽……

上海鐵路局建設(shè)管理處

鐵道第三勘察設(shè)計院

中鐵第四勘察設(shè)計院

中南建筑設(shè)計院

……一.研究背景

現(xiàn)代化大型鐵路客站大部分遠(yuǎn)離市區(qū)，市政能源供應(yīng)受限，分布式能源需求大；

設(shè)計運行得當(dāng)?shù)牡卦礋岜孟到y(tǒng)能有效利用可再生能源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的；

華東地區(qū)大型鐵路客站應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，冬夏季空調(diào)和采暖需兼顧，地埋管取放熱強度高，連續(xù)運行時間長，該類型的大規(guī)模復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計選型上偏離了以可靠性為基準(zhǔn)的設(shè)計理論，運行策略將直接影響其運行效率和可靠性；

運行階段地埋管周圍有限巖土體溫度變化的動態(tài)特性及熱承載力限值引起的地埋管群換熱量衰減應(yīng)予以充分考慮。一.研究背景

在設(shè)計階段，如何引入運行策略對系統(tǒng)可靠性的影響？20181614121083#機組出口水溫3#機組進(jìn)口水溫2#機組出口水溫2#機組進(jìn)口水溫1#機組出口水溫1#機組進(jìn)口水溫

華東地區(qū)大型客站的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)以冷負(fù)荷為主導(dǎo)，冬季的熱負(fù)荷可由地源熱泵單獨承擔(dān)，通常不設(shè)置輔助熱源，這種做法在實際運行中是否可靠？

在運行階段，華東地區(qū)大型客站的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)按照怎樣的運行控制策略才能既保證地源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，又能提升系統(tǒng)能效體現(xiàn)地源熱泵技術(shù)節(jié)能性？6412/612/1312/2012/271/31/10時間某客站建成后第一個供熱季運行，連續(xù)運行約40天后，地埋管換熱器的出水溫度已經(jīng)惡化，致使地源熱泵機組出力嚴(yán)重不足，候車大廳熱環(huán)境狀況不佳。二、研究內(nèi)容1.大型客站地埋管埋管換熱特性研究在鐵路客站地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中，采用站臺下條形布管的方式，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的等間距埋管方案。傳統(tǒng)布管夏季平均溫升要比條形布管高6.9℃，夏季傳熱效率平均比條形布管低15.1%，各站臺下地埋管管群換熱相互干擾較小，地埋管周圍積聚的熱量可更快地擴散到土壤遠(yuǎn)端，有利于提高地埋管換熱器的傳熱效率。站臺條形布管對土壤溫度分布的影響25冷凝器放熱24蒸發(fā)器取熱232221201918冬夏運行先后次序?qū)Φ販氐挠绊懣照{(diào)季過渡季

供暖季過渡季對于理想循環(huán)，蒸發(fā)溫度對

COP

的影響要大于冷凝溫度。夏季先運行時，夏季儲熱，冬季取熱，有利于改善冬季運行時蒸發(fā)器的性能，故建議地源熱泵系統(tǒng)在工程進(jìn)度允許的前提下優(yōu)先從夏季開始運行45678910

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1234month一年中土壤平均溫度月變化曲線二、研究內(nèi)容1.大型客站地埋管埋管換熱特性研究

土壤溫度對地埋管換熱性能的影響1.11.00.90.80.70.6夏季設(shè)計負(fù)荷，54W/m夏季計算負(fù)荷Q1,de5temp421

運行后期，埋管周邊出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象，換熱性能發(fā)生較大衰減20.820.620.420.22019.819.619.419.21918.818.618.418.218Q1,run321056789month根據(jù)土壤溫度修正的夏季放熱量0123459月末1.11.00.90.80.75冬季設(shè)計負(fù)荷,81W/m冬季計算負(fù)荷Q2,detemp4321017.817.617.417.21716.816.616.416.21615.815.615.415.215Q2,

run14.814.61212month0123453月中旬根據(jù)土壤溫度修正的冬季取熱量二、研究內(nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計風(fēng)險性分析某客站2012年夏季運行數(shù)據(jù)基于TRNSYS的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)仿真模型實際運行過程單位井深換熱量q與建筑應(yīng)用TRNSYS模擬平臺，建立復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，聯(lián)合地埋管參數(shù)、機組性能、建筑負(fù)荷等多擾量動態(tài)耦合計算，能夠合理預(yù)測不同單位埋管土壤換熱量設(shè)計值下系統(tǒng)風(fēng)險冷（熱）負(fù)荷、熱泵機組效率相互耦合q的取值對于系統(tǒng)運行風(fēng)險和埋管投資密切相關(guān)率二、研究內(nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計風(fēng)險性分析

基于機組保護(hù)溫度的單位井深換熱量q限值

不同單位井深換熱量q對應(yīng)的埋管設(shè)計方案，模擬得到土壤、流體年最高溫度

夏季機組允許的最高流體溫度45℃，冬季允許最低流體溫度5℃，可以得到滿足機組保護(hù)溫度需求的換熱量q的推薦限值45℃5℃日運行小時數(shù)12h/16h/24h二、研究內(nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計風(fēng)險性分析

基于負(fù)荷不滿足率的運行風(fēng)險分析

夏季冷凝溫度上升-機組制冷能力衰減，冬季蒸發(fā)溫度上升-機組制熱能力衰減夏季冷負(fù)荷和機組制冷能力變化圖冬季熱負(fù)荷和機組制熱能力變化圖二、研究內(nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計風(fēng)險性分析系統(tǒng)風(fēng)險率熱泵機組進(jìn)水溫度冬QwQl季室內(nèi)可接受溫度系統(tǒng)風(fēng)險率

=1-運行風(fēng)險系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果為qmax=22.8W/m評Qw為機組實際制冷/熱量Ql

為建筑所需逐時負(fù)荷值估冬季工況，τ=018℃，q

=16.7W/mmax夏16℃，q

=19.7W/m季max運行夏季工況，τ=0風(fēng)26℃，q

=25.8W/m險max評28℃，q

=36.8W/mmax估土壤和埋管水溫逐月變化圖二、研究內(nèi)容3.大型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計匹配

鐵路客站多熱源設(shè)置和匹配土壤熱源熱泵冷水機組+冷卻塔電鍋爐土壤熱源熱泵冷水機組+冷卻塔風(fēng)冷熱泵土壤熱源熱泵雙工況冷水機組+冷卻塔+蓄冰裝置電鍋爐+蓄熱裝置二、研究內(nèi)容3.大型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計匹配

在地埋管側(cè)預(yù)留并聯(lián)冷卻塔接口以克服地埋管施工運行中的風(fēng)險某客站運營初實測站廳溫度某客站并聯(lián)冷卻塔運行后實測站廳溫度

夏熱冬冷地區(qū)也建議設(shè)置小型輔助熱源某客站增加輔助電鍋爐前地源側(cè)進(jìn)出口水溫

某客站增加輔助電鍋爐后地源側(cè)進(jìn)出口水溫二、研究內(nèi)容3.大型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計匹配控制柜地埋管冷卻塔fanTsoilTwgTgsx機組進(jìn)出水溫監(jiān)測PToutTin地溫監(jiān)測地源熱泵機組冷卻塔—地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)簡圖

設(shè)置地溫監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測運行期間地埋管周圍有限巖土體溫度變化及熱堆積，是實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)的可靠高效運行的有效保證二、研究內(nèi)容4.復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)全年運行控制策略優(yōu)化

某大型客站地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略效果測試熱泵制冷容量冷機制冷容量2010-11-29

2010-12-14

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2011-1-13182011-1-282011-2-124440363228241.8x101.6x101.4x101.2x101.0x108.0x106.0x104.0x102.0x104444433332012年地埋管出水溫度20122010年地埋管出水溫度2010年地埋管進(jìn)水溫度年地埋管進(jìn)水溫度161412108地埋管出水溫度地埋管進(jìn)水溫度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

2012-12-14

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2013-1-132013-1-282013-2-12日期2012年夏季制冷運行工況時間日期2010、2012年冬季運行工況對比2012夏季制冷系統(tǒng)運行份源熱泵夏季的充分運行蓄熱是冬季穩(wěn)定運行的必要條件地埋管出水溫度地埋管進(jìn)水溫度62012-11-29

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2013-1-132013-1-282013-2-12日期2012年冬季制熱運行工況二、研究內(nèi)容4.復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)全年運行控制策略優(yōu)化

地源熱泵一定時間的間歇甚至是負(fù)荷降低都有利于地溫恢復(fù)，改善下一運行階段的土壤換熱能力和系統(tǒng)運行可靠性

夏季在地源熱泵始終優(yōu)先運行的運行策略下，制冷季末期地埋管水溫升高至40℃以上，地源熱泵的能效降低40108地埋管出水溫度地埋管進(jìn)水溫度地埋管出水溫度地埋管進(jìn)水溫度4442403836343230282624222090008000700060005000400030002000100004442403836343230282624222090008000700060005000400030002000100003530252015105進(jìn)地源熱泵機組地埋水溫度進(jìn)冷水機組冷卻水溫度熱泵機組冷水供水溫度冷水機組冷水供水溫度64地源熱泵子系統(tǒng)COP冷水機組子系統(tǒng)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日時間時間時間第三階段的地源熱泵子系統(tǒng)和冷水機組子系統(tǒng)COP變化2012年夏季運行第二階段數(shù)據(jù)2012年夏季運行第三階段數(shù)據(jù)二、研究內(nèi)容3.復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)全年運行控制策略優(yōu)化

編寫復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的運行指南日平均溫度（T）5℃<

T機組開啟策略一臺地源熱泵機組兩臺地源熱泵機組三臺地源熱泵機組日最高溫度（T）≤20℃機組開啟策略一臺地源熱泵機組兩臺地源熱泵機組一臺地源熱泵機組+一臺冷水機組0℃<

T≤5℃T≤0℃20℃<T≤23℃23℃<T≤25℃電鍋爐為供熱季的輔助熱源：當(dāng)?shù)芈窆芑厮疁囟炔坏陀?5℃時，電鍋爐可不開啟；當(dāng)?shù)芈窆芑厮疁囟冉橛?0℃到15℃之間時，電鍋爐谷電時刻開啟；當(dāng)?shù)芈窆芑厮疁囟鹊陀?0℃時，電鍋爐開啟，與地源熱泵共同承擔(dān)熱負(fù)荷日最高溫度（T）25℃<T≤28℃28℃<T≤30℃30℃<T≤33℃℃<T≤35℃機組開啟策略2A+B夜平均溫度（t）25℃<

t≤27℃27℃<

t≤30℃30℃<

t≤32℃32℃<t≤35℃t>35℃機組開啟策略2BA+2B3BA+2B2A+2B氣候概況及負(fù)荷特性分析33A+3BA+3B2A+3BT>35℃2A+3B若地埋管回水溫度連續(xù)5日日間平均值超過34℃日最高溫度（T）25℃<

T≤27℃27℃<

T≤30℃30℃<

T≤32℃32℃<

T≤35℃T>35℃機組開啟策略冬季運行策略2BA+2B3BA+3B2A+3B夏季運行策略A---地源熱泵機組，B---冷水機組運行策略三、結(jié)論

大型地源熱泵運行階段地埋管周圍有限巖土體溫度變化的動態(tài)特性及熱承載力限值引起的地埋管群換熱量衰減，需要在設(shè)計時予以充分考慮

建立地埋管系統(tǒng)換熱量與埋管參數(shù)、機組性能、建筑負(fù)荷等多擾量動態(tài)耦合計算的TRNSYS模型，預(yù)測大型地源熱泵運行階段的埋管水溫變化（機組保護(hù)溫度）及機組出力衰減導(dǎo)致的運行風(fēng)險，以校核單位井深換熱量q取值

提出以土壤全年熱平衡為基礎(chǔ)的華東地區(qū)大型客站復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中地源熱泵機組與輔助冷熱源（冷卻塔、鍋爐、冰蓄冷、風(fēng)冷熱泵