【论文精选】超低能耗建筑水平地埋管地源热泵系统优化
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2025-02-12 17:12
天津
作者：鞠恒金，李祥立，常畅，张宝龙
第一作者单位：大连理工大学土木工程学院
摘自《煤气与热力》2024年2月刊
鞠恒金，李祥立，常畅，等. 超低能耗建筑水平地埋管地源热泵系统优化［J］. 煤气与热力，2024，44（2）：A37-A42.地源热泵作为一种高效、低成本的清洁能源技术，在建筑供能领域得到了广泛应用，其中水平地埋管地源热泵系统由于其占地面积较大，在传统建筑中应用较少［1-2］。然而，随着超低能耗建筑及其相关技术的发展，新建建筑的用能负荷，尤其是供暖和供冷负荷呈明显下降趋势，所需水平地埋管的长度和占地面积也随之下降，这为水平地埋管地源热泵系统在建筑供能领域的发展带来了广阔的前景［3-8］。由于水平地埋管地源热泵系统应用在普通建筑中往往需要联合辅助热源或冷源（例如太阳能和冷却塔等），使得水平地埋管地源热泵系统优化研究变得高度非线性，需要考虑更多的约束［9-10］。仝仓等人［11］研究分析了水平地埋管地源热泵系统的运行特性和适应性，结果表明，对于超低能耗建筑，水平地埋管地源热泵系统具有良好的应用前景。Sanaye等人［12］利用遗传算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化设计，选取管长、深度、管排层数等9个参数作为优化变量，设计出一套经济性最优的水平地埋管地源热泵系统。Rezaei等人［13］利用遗传算法对水平地埋管换热器的回填材料物性参数进行了优化，并指出地表铺设保温层有利于提高水平地埋管地源热泵系统效率。以上研究均是针对水平地埋管换热器参数进行优化，并没有结合实际用户负荷需求对水平地埋管地源热泵系统进行优化研究。本文以某超低能耗居住建筑为例，利用TRNSYS软件搭建水平地埋管地源热泵系统仿真模型，结合实际用户负荷需求，以系统费用年值最低为目标函数，选取热泵机组供水温度为优化变量，采用Hooke-Jeeves算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化。2 系统设计
以大连某栋超低能耗居住建筑为例，该建筑为2层，南北朝向，体形系数为0.25 m-1，建筑面积为270 m2，空调面积为242 m2。建筑应用了高性能围护结构，外窗采用铝合金窗框+3层Low-E玻璃，太阳得热系数为0.45。围护结构传热系数见表1，均符合GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》要求。表1 围护结构传热系数
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利用TRNSYS软件建立居住建筑负荷模型，选择典型年气象数据，对全年8 760 h建筑负荷进行模拟。室内环境设计参数参照GB/T 51350—2019、JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》确定：供暖室内设计温度为20 ℃，空调室内设计温度为26 ℃。人体发热量、设备热功率密度、照明装置热功率密度、人员在室率、设备使用率、照明装置开启率参照DB 13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》确定。供暖期为11月5日至次年4月5日，供冷期间为6月1日至8月31日。由TRNSYS软件模拟得到的建筑全年逐时负荷见图1。由模拟结果可知：建筑全年累计冷负荷为1 497.98 kW·h，最大冷负荷为6.97 kW。全年累计热负荷为4 411.66 kW·h，最大热负荷为7.68 kW。水平地埋管地源热泵系统（简称地源热泵系统）流程见图2。地源热泵系统由热泵机组、水平地埋管换热器、水箱、水泵、风机盘管、地面辐射供暖系统、控制系统组成。供暖期，采用地面辐射供暖系统为用户供暖。供冷期，采用风机盘管为用户供冷。为避免地源热泵系统持续运行导致能源浪费，同时兼顾室内环境热舒适性，根据供暖期、供冷期和室内温度对地源热泵系统进行间歇启停控制［14］。在供暖期：当室内温度低于19 ℃时，开启热泵机组，水泵P1、P2、P3开启。当室内温度高于21 ℃时，关闭热泵机组，水泵P1、P2、P3关闭。在供冷期：当室内温度高于27 ℃时，开启热泵机组，水泵P1、P2、P3开启，风机盘管开启。当室内温度低于25 ℃时，关闭热泵机组，水泵P1、P2、P3关闭，风机盘管关闭。根据负荷模拟结果，建筑最大冷负荷为6.97 kW，最大热负荷为7.68 kW。因此，热泵机组选取额定制冷量为8.54 kW，额定制热量为9.87 kW，额定制冷性能系数为5.6，额定制热性能系数为4.8。水平地埋管换热器根据文献［15］进行设计，设计长度为360 m，管内径为25 mm，管横向间距为0.5 m。由于水平地埋管换热器占地面积较大，将其设置为双层，层间距为0.5 m。为确保水平地埋管换热器安全运行，上层水平地埋管换热器管中心埋深为2.0 m，距大连地区冻土层1.1 m［11］。地源热泵系统主要设备额定参数见表2。表2 地源热泵系统主要设备额定参数
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本文以TRNSYS 17为平台建立地源热泵系统仿真模型。主要部件模型：热泵机组模型Type927、水平地埋管换热器模型Type997、风机盘管模型Type508c、水泵模型Type114、水箱模型Type4c、建筑模型Type56等。使用谐波土壤未扰动温度模型对水平地埋管换热器模型的初始条件和边界条件进行转化［11］。根据各部件之间逻辑控制关系组建地源热泵系统仿真模型，见图3。4 地源热泵系统优化方案设计
选用Hooke-Jeeves算法对地源热泵系统进行优化。Hooke-Jeeves算法与牛顿法、共轭梯度法、拉格朗日乘值法等方法相比，计算效率高、适定性强，对于变量不多的问题，可以有较好的效果［16-19］。在仿真模型基础上对地源热泵系统进行优化，通过TRNSYS软件的TRNOPT模块，将GENOPT软件与仿真模型连接。利用GENOPT软件调用Hooke-Jeeves算法，对地源热泵系统优化变量进行优化计算［20-21］。GENOPT软件是一种用于优化最小化成本函数的程序，可调用TRNSYS软件生成的BUI文件和DCK文件并产生输出文件，基于TRNSYS模拟程序产生新的目标函数值，并判断是否最优，直至寻找到目标函数的最优值［22-23］。![]()
优化前，地源热泵系统采用质调节方式，根据室外温度，改变热泵机组供水温度。TRNSYS软件模拟运行步长为0.125 h，模拟时间为8 760 h。优化前地源热泵系统各设备年耗电量见表3。由表3可知，热泵机组年耗电量为2 523.73 kW·h/a，占地源热泵系统总年耗电量的82.99%，具有较大的优化潜力。因此，选取热泵机组供水温度作为优化变量。供暖期，热泵机组初始供水温度为40 ℃。供冷期，热泵机组初始供水温度为10 ℃。表3 优化前地源热泵系统各设备年耗电量
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优化结果表明：供暖期，热泵机组供水温度最佳范围为30.1~40.4 ℃。供冷期，热泵机组供水温度最佳范围为8.9~14.9 ℃。优化后，制冷季节能源消耗效率为4.92，比优化前提高5.8%。制热季节能源消耗效率为3.99，比优化前提高9.3%。全年能源消耗效率为4.52，比优化前提高7.9%。优化后，地源热泵系统年耗电量为2 746.89 kW·h/a，比优化前节省294.03 kW·h/a，节电9.7%，系统费用年值降低2.8%。在保证室内温度合理的前提下，供暖期热泵机组平均供水温度降低5.13 ℃，供冷期热泵机组平均供水温度提高3.05 ℃。①优化结果表明：供暖期，热泵机组供水温度最佳范围为30.1~40.4 ℃。供冷期，热泵机组供水温度最佳范围为8.9~14.9 ℃。②优化后，热泵系统制冷季节能源消耗效率、制热季节能源消耗效率、全年能源消耗效率均比优化前有所提高。③优化后，地源热泵系统比优化前节电9.7%，费用年值降低2.8%。在保证室内温度合理的前提下，供暖期热泵机组平均供水温度降低5.13 ℃，供冷期热泵机组平均供水温度提高3.05 ℃。［ 1 ］徐伟. 中国地源热泵发展研究报告［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2018：65-80.［ 2 ］XI J，LI Y，LIU M，et al. Study on the Thermal Effect of the Ground Heat Exchanger of GSHP in the Eastern China Area［J］. Energy，2017，141：56-65.［ 3 ］吴羽柔，张双璐，江练鑫. 我国建筑碳排放现状及碳中和路径探讨［J］. 重庆建筑，2021（S1）：66-68.［ 4 ］龙惟定，梁浩. 我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨［J］. 暖通空调，2021（4）：1-17.［ 5 ］清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2021［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2021：100-120.［ 6 ］李慧星，张然，冯国会，等. 严寒地区近零能耗建筑与常规建筑空调能耗模拟对比分析［J］. 建筑节能，2015（6）：10-12.［ 7 ］徐伟，刘志坚，陈曦. 关于我国“近零能耗建筑”发展的思考［J］. 建筑科学，2016（4）：1-5.［ 8 ］MARSZAL A J，HEISELBERG P，BOURRELLE J S，et al. Zero Energy Building–a Review of Definitions and Calculation Methodologies［J］. Energy and Buildings，2011，43：971-979.［ 9 ］GONG X，XIA L，MA Z，et al. Investigation on the Optimal Cooling Tower Input Capacity of a Cooling Tower Assisted Ground Source Heat Pump System［J］. Energy and Buildings，2018，174：239-253.［10］SI Q，OKUMIYA M，ZHANG X. Performance Evaluation and Optimization of a Novel Solar-Ground Source Heat Pump System ［J］. Energy and Buildings，2014，70：237-245.［11］仝仓，李祥立，端木琳. 大连某超低能耗别墅水平地埋管地源热泵系统应用［J］. 暖通空调，2021（1）：121-127.［12］SANAYE S，NIROOMAND B. Horizontal Ground Coupled Heat Pump：Thermal-Economic Modeling and Optimization［J］. Energy Conversion and Management，2010（12）：2600-2612.［13］REZAEI B A，DEHGHAN N E，KOLAHDOUZ E M，et al. A Passive Design Strategy for a Horizontal Ground Source Heat Pump Pipe Operation Optimization with a Non-Homogeneous Soil Profile［J］. Energy & Buildings，2013，61：39-50.［14］王群鹤. 寒冷地区近零能耗居住建筑能源系统评价（硕士学位论文）［D］. 大连：大连理工大学，2018：24-26.［15］University O S. Closed-Loop/Ground Source Heat Pump Systems：Installation Guide［M］. Stillwater：IGSHPA，1988：63-101.［16］唐焕文，秦学志. 实用最优化方法［M］. 大连：大连理工大学出版社，1994：139-142.［17］周清春，鞠玉涛，周长省. 基于Hooke-Jeeves算法的挠性粘接件的高效内聚反演分析［J］. 工程力学，2015（4）：1-7.［18］HOOK R，JEEVE T A. Direct Search Solution of Numerical and Statistical Problems［J］. Journal of the ACM，1961（2）：212-229.［19］曾乃晖，袁艳平，孙亮亮，等. 基于TRNSYS的空气源热泵辅助太阳能热水系统优化研究［J］. 太阳能学报，2018（5）：1245-1254.［20］孙德宇，徐伟，余镇雨. 全寿命周期寒冷地区近零能耗居住建筑能效指标研究［J］. 建筑科学，2017（6）：90-95.［21］ASADI E，SILVA M，ANTUNES C H，et al. A Multi-Objective Optimization Model for Building Retrofit Strategies Using TRNSYS Simulations，GENOPT and MATLAB［J］. Building & Environment，2012（10）：370-378.［22］王其良. 可再生能源多源互补供暖系统优化研究（硕士学位论文）［D］. 青岛：青岛理工大学：55-59.［23］王其良，周恩泽，屠丽娟，等. 基于太阳能补热的多源互补供暖系统优化研究［J］. 太阳能学报，2021（11）：178-185.［24］黄新江. 基于TRNSYS地源热泵系统模拟与优化（硕士学位论文）［D］. 苏州：苏州科技大学，2019：47-60.［25］曹晨，郑明宇，刘骏亚，等. 变频型房间空调器全年能源消耗效率分析［J］. 低温与超导，2022（7）：28-33.［26］彭冬根，李寅蒂. 基于TRNSYS的增加辅助冷却设备的地源热泵系统优化［J］. 南昌大学学报（工科版），2021（2）：128-136.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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