華東大型客站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

2016年全國(guó)鐵道與城軌暖通學(xué)術(shù)年會(huì)華東地區(qū)大型客站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)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(duì)

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(shū)陽(yáng)……

上海鐵路局建設(shè)管理處

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院

中南建筑設(shè)計(jì)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(jì)運(yùn)行得當(dāng)?shù)牡卦礋岜孟到y(tǒng)能有效利用可再生能源，實(shí)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(qiáng)度高，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，該類型的大規(guī)模復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型上偏離了以可靠性為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理論，運(yùn)行策略將直接影響其運(yùn)行效率和可靠性；

運(yùn)行階段地埋管周圍有限巖土體溫度變化的動(dòng)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(jì)階段，如何引入運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響？20181614121083#機(jī)組出口水溫3#機(jī)組進(jìn)口水溫2#機(jī)組出口水溫2#機(jī)組進(jìn)口水溫1#機(jī)組出口水溫1#機(jī)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(dú)承擔(dān)，通常不設(shè)置輔助熱源，這種做法在實(shí)際運(yùn)行中是否可靠？

在運(yùn)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(yùn)行控制策略才能既保證地源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)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(shí)間某客站建成后第一個(gè)供熱季運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)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(jī)組出力嚴(yán)重不足，候車大廳熱環(huán)境狀況不佳。二、研究?jī)?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(jì)中，采用站臺(tái)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(tái)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?cái)U(kuò)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(tái)條形布管對(duì)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(yùn)行先后次序?qū)Φ販氐挠绊懣照{(diào)季過(guò)渡季

供暖季過(guò)渡季對(duì)于理想循環(huán)，蒸發(fā)溫度對(duì)

COP

的影響要大于冷凝溫度。夏季先運(yùn)行時(shí)，夏季儲(chǔ)熱，冬季取熱，有利于改善冬季運(yùn)行時(shí)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(kāi)始運(yùn)行45678910

11

12

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

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

運(yùn)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(jì)負(fù)荷,81W/m冬季計(jì)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?jī)?nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)性分析某客站2012年夏季運(yùn)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(shí)際運(yùn)行過(guò)程單位井深換熱量q與建筑應(yīng)用TRNSYS模擬平臺(tái)，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(jī)組性能、建筑負(fù)荷等多擾量動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算，能夠合理預(yù)測(cè)不同單位埋管土壤換熱量設(shè)計(jì)值下系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)冷（熱）負(fù)荷、熱泵機(jī)組效率相互耦合q的取值對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和埋管投資密切相關(guān)率二、研究?jī)?nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)性分析

基于機(jī)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(duì)應(yīng)的埋管設(shè)計(jì)方案，模擬得到土壤、流體年最高溫度

夏季機(jī)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(jī)組保護(hù)溫度需求的換熱量q的推薦限值45℃5℃日運(yùn)行小時(shí)數(shù)12h/16h/24h二、研究?jī)?nèi)容2.大型客站地源熱泵設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)性分析

基于負(fù)荷不滿足率的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

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

=1-運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果為qmax=22.8W/m評(píng)Qw為機(jī)組實(shí)際制冷/熱量Ql

為建筑所需逐時(shí)負(fù)荷值估冬季工況，τ=018℃，q

=16.7W/mmax夏16℃，q

=19.7W/m季max運(yùn)行夏季工況，τ=0風(fēng)26℃，q

=25.8W/m險(xiǎn)max評(píng)28℃，q

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

鐵路客站多熱源設(shè)置和匹配土壤熱源熱泵冷水機(jī)組+冷卻塔電鍋爐土壤熱源熱泵冷水機(jī)組+冷卻塔風(fēng)冷熱泵土壤熱源熱泵雙工況冷水機(jī)組+冷卻塔+蓄冰裝置電鍋爐+蓄熱裝置二、研究?jī)?nèi)容3.大型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)某客站運(yùn)營(yíng)初實(shí)測(cè)站廳溫度某客站并聯(lián)冷卻塔運(yùn)行后實(shí)測(cè)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?jī)?nèi)容3.大型復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配控制柜地埋管冷卻塔fanTsoilTwgTgsx機(jī)組進(jìn)出水溫監(jiān)測(cè)PToutTin地溫監(jiān)測(cè)地源熱泵機(jī)組冷卻塔—地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

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

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

2010-12-14

2010-12-29

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

2012-12-29

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

2012-12-14

2012-12-29

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

地源熱泵一定時(shí)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(yùn)行階段的土壤換熱能力和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

夏季在地源熱泵始終優(yōu)先運(yùn)行的運(yùn)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(jī)組地埋水溫度進(jìn)冷水機(jī)組冷卻水溫度熱泵機(jī)組冷水供水溫度冷水機(jī)組冷水供水溫度64地源熱泵子系統(tǒng)COP冷水機(jī)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(shí)間時(shí)間時(shí)間第三階段的地源熱泵子系統(tǒng)和冷水機(jī)組子系統(tǒng)COP變化2012年夏季運(yùn)行第二階段數(shù)據(jù)2012年夏季運(yùn)行第三階段數(shù)據(jù)二、研究?jī)?nèi)容3.復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行控制策略優(yōu)化

編寫復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行指南日平均溫度（T）5℃<

T機(jī)組開(kāi)啟策略一臺(tái)地源熱泵機(jī)組兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組三臺(tái)地源熱泵機(jī)組日最高溫度（T）≤20℃機(jī)組開(kāi)啟策略一臺(tái)地源熱泵機(jī)組兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組一臺(tái)地源熱泵機(jī)組+一臺(tái)冷水機(jī)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(shí)，電鍋爐可不開(kāi)啟；當(dāng)?shù)芈窆芑厮疁囟冉橛?0℃到15℃之間時(shí)，電鍋爐谷電時(shí)刻開(kāi)啟；當(dāng)?shù)芈窆芑厮疁囟鹊陀?0℃時(shí)，電鍋爐開(kāi)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(jī)組開(kāi)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(jī)組開(kāi)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(guò)34℃日最高溫度（T）25℃<

T≤27℃27℃<

T≤30℃30℃<

T≤32℃32℃<

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

大型地源熱泵運(yùn)行階段地埋管周圍有限巖土體溫度變化的動(dòng)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(jì)時(shí)予以充分考慮

建立地埋管系統(tǒng)換熱量與埋管參數(shù)、機(jī)組性能、建筑負(fù)荷等多擾量動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算的TRNSYS模型，預(yù)測(cè)大型地源熱泵運(yùn)行階段的埋管水溫變化（機(jī)組保護(hù)溫度）及機(jī)組出力衰減導(dǎo)致的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)組與輔助冷熱源（冷卻塔、鍋爐、冰蓄冷、風(fēng)冷熱泵