引言地源热泵系统具有效率高、性能好、碳排放量低等优点。针对冷负荷占优型建筑，地源热泵长期运行会造成地下土壤热堆积，导致系统性能降低。为了解决土壤热堆积问题，相关学者开展了大量研究。彭冬根[1]等将地埋管出口水温作为控制对象，地埋管出口水温为22 ℃时切换冷却塔，与单一地源热泵系统相比，复合系统运行20年时，地埋管出水平均温度降低了15.3 ℃。满意[2]等针对冷负荷占优型建筑设计了地源-冷却塔复合热泵系统，根据热泵机组冷凝器出口水温与周围空气湿球温度的差值控制冷却塔的启停，采用冷却塔辅助散热可以及时排出土壤中积聚的热量，复合系统的经济性优于单一地源热泵系统。郝先栋[3]等通过试验发现，冷却塔与地埋管并联连接的总排热量比串联高5%，能效比提高8.9%。地源-冷却塔复合热泵系统多采用开式冷却塔，存在漂水、噪声大、水质较低易结垢、水资源浪费等问题[4]。采用闭式冷却塔可以解决漂水、水资源浪费的问题，但存在体积大、造价高、能耗高等缺点。於继康[5]等以地源-空气源复合热泵系统为研究对象，对比了夏季优先运行地源热泵和优先运行空气源热泵两种策略的土壤排热不平衡率，与夏季优先运行地源热泵相比，优先运行空气源热泵的土壤排热不平衡率降低至7.3%。顾娟[6]等利用TRNSYS软件建立地源-空气源复合热泵系统，模拟时间控制、温度控制、温差控制等3种策略在均衡土壤温度方面的表现，得出最优策略为地源热泵优先运行2 h。以冷却塔和风冷冷水机组为辅助设备构建复合系统，分析温差控制和时间控制两种策略下复合系统均衡土壤温度的效果、机组性能、经济性等，并对地源-风冷冷水机组复合热泵系统进行优化，进一步降低复合系统的初投资和运行成本。1建筑概况及气象参数1.1建筑模型利用Sketch up软件构建一个长25 m、宽10 m、层高3 m的三层办公建筑。将建筑模型导入TRNBuild软件，并通过TRNSYS软件根据不同部件之间的连接构建建筑的瞬态仿真模型[7]。1.2气象条件及建筑负荷特性利用Meteonorm全球气象数据软件可以获取全球大部分城市的气象状况[8]。选定目标建筑所在城市，通过Meteonorm软件输出城市的实时气象，将实时气象信息导入TRNSYS软件构建的建筑瞬态仿真系统。仿真运行1年的建筑冷热负荷如表1所示。目标建筑的全年冷热负荷不均，属于典型的冷负荷占优型建筑，宜采用复合系统，利用辅助设备散热。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.T001表1仿真运行1年的建筑冷热负荷项目冷负荷热负荷峰值/kW106.8965.94起止时间/h3 960~6 1680~1 776、7 632~8 760累计值/kWh43 62317 7612两种复合热泵系统的应用地源-风冷冷水机组复合热泵系统中，地源热泵机组与风冷冷水机组并联，冬季仅运行地源热泵，热负荷全部由地源热泵机组承担；夏季开启地源热泵和风冷冷水机组，冷负荷由二者共同承担。地源-风冷冷水机组复合热泵系统原理如图1所示。地源-冷却塔复合热泵系统中，地源热泵机组分别与冷却塔和地埋管串联，冷却塔与地埋管并联，冬季关闭阀门2和阀门4，开启阀门1和阀门3，热负荷全部由地源热泵承担；夏季多数时段运行地埋管，部分时段关闭阀门1和阀门3，开启阀门2和阀门4，运行冷却塔，冷负荷由二者共同承担。地源-冷却塔复合热泵系统原理如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F001图1地源-风冷冷水机组复合热泵系统原理10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F002图2地源-冷却塔复合热泵系统原理2.1两种复合热泵系统的构建根据两种复合热泵系统的原理，基于TRNSYS软件构建复合系统的仿真模型，两种地源复合热泵系统仿真模型如图3、图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F003图3地源-风冷冷水机组复合热泵系统仿真模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F004图4地源-冷却塔复合热泵系统仿真模型仿真模型的主要模块包括地埋管换热器、冷却塔、水泵、热泵机组、风冷冷水机组等。2.2两种运行策略的设定（1）温差控制策略。冷却塔辅助散热的复合系统宜采用湿球温差控制。地埋管出水温度与周围空气的湿球温度差能够决定冷却塔的实际散热量和运行效率[9]。地埋管出水温度与周围空气湿球温度的差值高于限值时切换冷却塔散热，设置温差限值为2~5 ℃。风冷冷水机组辅助散热复合系统采用干球温差控制，地埋管出水温度与周围空气干球温度的差值高于限值时，切换冷却塔散热，设置温差限值为1~3 ℃。（2）时间控制策略。制冷季前1~3周（6月15日至7月6日）和最后7周（7月30日至9月15日）通过辅助散热设备散热，其余时段利用地源热泵供暖和制冷。3复合热泵系统的应用对比分析3.1单一地源热泵系统仿真运行搭建单一地源热泵系统仿真模型并模拟运行1年，分析地埋管的吸放热情况，计算冷热不平衡率[10]：ε=Qf-QxQf×100% (1)式中：ε——冷热不平衡率，%；Qf——地埋管向土壤释放的热量，kWh；Qx——地埋管从土壤吸收的热量，kWh。单一地源热泵系统的全年累计冷热不平衡率高达78.84%。单一地源热泵系统运行的土壤平均温度及制冷工况下最高出水温度如图5所示。单一地源热泵系统运行10年的地埋管出水温度将超过《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2005）[11]中最高出水温度的限值。系统运行15年土壤平均温度为18.92 ℃，热泵机组的COP降低约12.9%。仅运行地源热泵时，土壤温升与机组性能变化明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F005图5单一地源热泵系统运行的土壤平均温度及制冷工况下最高出水温度3.2地源-冷却塔复合热泵系统仿真运行按照时间控制策略运行地源-冷却塔复合热泵系统。冷却塔的最高出水温度为29.23 ℃，与地埋管最高出水温度仅相差0.2 ℃，系统运行1年的土壤温升仅为0.12 ℃。冷却塔运行时段的制冷季末期，机组的瞬时COP最高，冷却塔运行时段的机组平均COP为4.68，冷却塔运行时段与地源热泵运行时段的平均COP仅相差5%。结果表明，时间控制策略能够均衡土壤温度，热泵机组的整体性能平稳。湿球温差控制下复合系统的土壤温升及年均耗电量如图6所示。系统仿真运行10年，土壤温升及系统平均耗电量均随着温差限值的增大而增大。湿球温差控制策略的最佳温差限值为2 ℃，地埋管出水温度高于湿球温度2 ℃时切换冷却塔运行，系统的年均耗电量和土壤温升最小。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F006图6湿球温差控制下复合系统的土壤温升及年均耗电量温差限值为2 ℃时复合系统温度变化及冷却塔启停控制如图7所示。系统仿真运行10年(87 600 h)，地埋管最高出水温度为31.5 ℃，随着仿真时间延长，土壤温升的增幅逐渐趋缓。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F007图7温差限值为2 ℃时复合系统温度变化及冷却塔启停控制计算得出第1年全年冷却塔累计开启时长为88 h，第5年全年冷却塔累计开启时长为109 h，第10年全年冷却塔累计开启时长为133 h，冷却塔开启时长逐年增多。两种控制策略下地源-冷却塔复合热泵系统运行10年的土壤温度变化如图8所示。时间控制策略下复合热泵系统运行10年(87 600 h)的土壤温度为13.84 ℃，土壤温升仅为0.34 ℃；温差控制策略下复合热泵系统运行10年的土壤温度为16.45 ℃，土壤温升为2.95 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F008图8两种控制策略下地源-冷却塔复合热泵系统运行10年的土壤温度变化3.3地源-风冷冷水机组复合热泵系统仿真运行时间控制下地源-风冷冷水机组复合热泵系统的温度及COP如图9所示。复合热泵系统仿真运行1年(8 760 h)的地埋管最高出水温度为29.27 ℃，土壤温升为0.11 ℃。夏季辅助散热时，风冷冷水机组的COP明显低于地源热泵机组，与地源热泵运行时段相比，风冷冷水机组运行时段的平均COP降低23.89%。因为地下土壤温度波动幅度较小，基本维持在10 ℃左右，冷却效果好；而室外温度随气候变化不稳定且制冷时室温一般高于20 ℃，以空气作为冷源时冷源温度较高，地源热泵的运行效率高于风冷冷水机组[12]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F009图9时间控制下地源-风冷冷水机组复合热泵系统的温度及COP干球温差控制下复合热泵系统土壤温升及年均耗电量如图10所示。随着温差限值的提高，土壤温升增大，年均耗电量逐渐降低。综合土壤温升和年均耗电量，温差限值为2 ℃时，开启风冷冷水机组辅助散热为3种温差限值的最优策略。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F010图10干球温差控制下复合热泵系统土壤温升及年均耗电量两种控制策略下地源-风冷冷水机组复合热泵系统运行10年的土壤温度变化如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F011图11两种控制策略下地源-风冷冷水机组复合热泵系统运行10年的土壤温度变化由图11可知，时间控制策略系统运行10年(87 600 h)的土壤温度为13.84 ℃，土壤温升仅为0.34 ℃；温差控制策略系统运行10年(87 600 h)的土壤温度为17.4 ℃，土壤温升为3.9 ℃。3.4两种复合热泵系统的经济性分析及优化复合热泵系统在不同控制策略下的初投资与运行成本如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.T002表2复合热泵系统在不同控制策略下的初投资与运行成本系统形式控制策略初投资/万元运行成本/万元地源-冷却塔复合热泵系统时间控制23.591.59湿球温差控制1.50地源-风冷冷水机组复合热泵系统时间控制26.341.51干球温差控制1.46由表2可知，地源-风冷冷水机组复合热泵系统的运成本较低，具备一定的经济性。地源-风冷冷水机组复合系统中的风冷冷水机组可以与地源热泵机组联合运行，共同承担冷负荷，通过优化地源热泵机组和风冷冷水机组的容量，增大风冷冷水机组承担的冷负荷比例，可以降低地源热泵机组容量和钻孔费用，大大降低初投资；地源-冷却塔复合系统中的冷却塔不能单独制冷，因此选择对地源-风冷冷水机组复合系统进行优化。机组容量方面，地源热泵机组按照最大热负荷选取，风冷冷水机组容量与热泵机组容量之和满足最大冷负荷；控制策略方面，系统按照阶梯式负载运行，即按照机组的最大负载量为两个机组划分优先运行顺序，建筑逐时负荷超过机组最大负载时及时切换。A策略优先运行地源热泵机组，机组容量不足以满足制冷需求时开启风冷机组联合供冷，B策略优先运行风冷冷水机组，机组容量不足时关闭风冷机组并开启地源热泵机组，两者单独运行均不满足需求时，同时开启机组联合供冷。优化后的地源-风冷冷水机组复合热泵系统仿真模型如图12所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F012图12优化后的地源-风冷冷水机组复合热泵系统仿真模型两种优化策略下地源-风冷冷水机组复合热泵系统的土壤温升及年均耗电量如图13所示。A策略运行的地埋管最高出水温度为31.74 ℃，B策略运行的地埋管最高出水温度为31.09 ℃，运行10年A策略的土壤温升较B策略增加了0.41 ℃，B策略运行的耗电量较低且均衡土壤温度的效果更好。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.F013图13两种优化策略下地源-风冷冷水机组复合热泵系统的土壤温升及年均耗电量采用动态的费用年值法[13]对复合热泵系统的运行效果进行对比，将初投资折算成寿命周期内的年平均值，与年运行费用相加，费用年值最小即为最经济的方案[14]。Z=A+a(1+a)n(1+a)n-1B (2)式中：Z——费用年值，万元；A——系统年运行费用，万元；a——市场利率，取银行基准利率，为4.3%；n——运行年限，取10年；B——初投资，万元。不同控制策略下复合系统的费用年值如表3所示。B策略下优化后的地源-风冷冷水机组复合热泵系统的费用年值最低。因为在系统容量方面，优化后的地源热泵机组和风冷机组的容量均降低，且钻孔数降为优化前的65%，初投资明显降低；在策略方面，阶梯式负载的优化策略对冷负荷具有较好的削峰效果，优化后的B策略使风冷冷水机组承担了制冷季40.2%的冷负荷，减少了地埋管的放热量，降低了运行成本。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.006.T003表3不同控制策略下复合系统的费用年值系统形式控制策略费用年值/万元地源-冷却塔复合热泵系统时间控制4.54湿球温差控制4.45地源-风冷冷水机组复合热泵系统时间控制4.81干球温差控制4.76优化后的策略A3.60优化后的策略B3.574结语为了均衡土壤温度以及提高地源热泵系统的寿命和可靠性，提出温差控制和时间控制两种控制策略，并针对地源-风冷冷水机组复合热泵系统进行优化，得出以下结论：（1）对比地源-冷却塔和地源-风冷冷水机组两种复合热泵系统，时间控制策略下两者在运行时段的机组平均COP的波动幅度分别为5.00%和23.89%，且风冷冷水机组的能效比较低。因为室外温度随气候变化不稳定，制冷时室外温度一般高于20 ℃，以空气作为冷源时，冷源温度较高且空气的导热系数远低于水的导热系数。（2）地源-风冷冷水机组复合热泵系统的年均运行成本略低，与地源-冷却塔复合热泵系统相比，运行成本每年最高可以节省0.13万元。但风冷机组的造价高，初投资增加了2.75万元。对机组容量进行优化后，系统初投资降低了34.4%。（3）采用阶梯式负载控制策略优化后，复合系统的风冷冷水机组最大可以承担40.2%的冷负荷，在均衡土壤温度方面具有较好的效果。优先运行风冷冷水机组的B策略的土壤温升仅为2.67 ℃，费用年值较A策略降低0.03万元。优化后的地源-风冷冷水机组复合热泵系统的费用年值较优化前减少了1.24万元，较地源-冷却塔复合热泵系统减少了0.97万元。