引言浅层地源热泵技术越来越多地被应用于建筑供能。在我国夏热冬冷地区，建筑供冷需求大于供热需求，单独使用地源热泵系统会导致向岩土体放热量大于取热量，随着运行时间增加，热泵机组制冷效果逐渐下降。为了保证地埋管周围土壤温度的冷热平衡，建立辅助冷却的复合式地源热泵系统成为有效的解决途径。许多学者[1-5]针对复合系统容量配置及控制策略等方面开展研究。彭冬根[6]等针对地源热泵系统在夏热冬冷地区运行的冷热负荷不平衡问题，提出控制负荷侧供水温度及地源侧出水温度两种优化策略。王丽娟[7]等通过Trnsys模拟仿真软件，分析冷却塔辅助土壤源热泵的复合式系统不同运行策略下土壤最高平均温度、各主要设备能耗及系统总能耗的变化情况。郭哲豪[8]等通过建立系统动态仿真模型，分析冷却塔开启控制策略对复合式地源热泵系统性能的影响。在确保岩土体冷热平衡的同时，提高复合式地源热泵系统综合能效比仍是目前研究的热点与难点。利用Trnsys软件建立冷却塔辅助散热的复合式地源热泵系统模型，并以淮南市某办公楼及餐厅为研究对象，对系统全年运行情况进行逐时模拟，从地埋管系统运行特性、系统能耗、土壤温度变化情况等方面进行全面分析，为夏热冬冷地区地源热泵系统的应用提供参考。1项目概况1.1建筑负荷分析项目区位于安徽省淮南市，属夏热冬冷地区，夏季空调计算干球温度35.0 ℃，空调湿球温度27.6 ℃，冬季空调计算干球温度-4.2 ℃，供暖计算温度-1.7 ℃。项目建筑类型包括办公楼、餐厅，建筑面积分别为50 789 m2、7 373 m2，总面积58 162 m2。建筑夏季空调运行时间为6月1日至9月15日，冬季采暖时间为12月1日至3月15日，使用时间为8：00至18：00，建筑全年逐时冷热负荷如图1所示。由DeST模拟计算结果可知，建筑物夏季最大冷负荷为6 425.42 kW，冬季最大热负荷为4 276.74 kW，空调季节内建筑物累计冷负荷为15 231 GJ，供冷需求主要集中在7月、8月，占比72.9%；供暖季节内累计热负荷为11 762 GJ，供热需求集中在12月、次年1月，占比70.42%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F001图1建筑全年逐时冷热负荷1.2复合系统配置1.2.1地埋管系统（1）浅层钻孔数量。浅层地埋管数量根据建筑最大热负荷确定，岩土体供热量QR1为：QR1=Q1×1-1COP (1)式中：QR1——冬季岩土体提供热量，kW；Q1——建筑热负荷，为4 276.74 kW；COP——热泵机组制热性能系数，为5.0。计算得，QR1为3 421.4 kW。钻孔数量N1为：N1=QR1q1×H×1 000 (2)式中：N1——钻孔数量；q1——每延米换热量，夏季53 W/m，冬季42 W/m；H——每个钻孔深度，取100 m。室外换热管采用地源热泵专用高密度聚乙烯SDR11-PE100管材，竖井间距取5 m。经计算，浅层钻孔数量为815口。（2）地源热泵制冷量Q2。Q2=QR2(1+1/EER) (3)式中：Q2——地源热泵承担冷负荷，kW；QR2——夏季向岩土体排热量，为4 319.5 kW；EER——热泵机组制冷性能系数，为6.0。经计算，Q2为3 702 kW，地源热泵可提供3 702 kW冷负荷，剩余2 724 kW冷负荷由冷水机组提供。1.2.2冷却塔冷却水量G=kQ0c(tw1-tw2) (4)式中：G——冷却水量，kg/s；Q0——制冷机冷负荷，为2 724 kW；k——制冷时的热量系数，为1.3；c——水的比热容，为4.19 kJ/(kg·℃)；tw1、tw2——冷却塔进出水温度，进水温度37 ℃，出水温度32 ℃。考虑1.2倍安全系数，冷却塔冷却水量为730 m3/h。1.2.3系统设备配置针对建筑供暖制冷需求，在地源热泵+冷却塔复合系统中，地源热泵机组的容量根据冬季最大热负荷确定，冷水机组容量根据夏季最大冷负荷与地源热泵制冷量的差值确定。冬季用户侧供回水温度按45 ℃/35 ℃设计，地源侧供回水温度为10 ℃/5 ℃，夏季用户侧供回水温度为7 ℃/12 ℃，地源侧供回水温度为32 ℃/37 ℃。机组及水泵参数如表1、表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.T001表1机组参数机组类型制冷量制热量制冷输入功率制热输入功率地源热泵机组1 9442 171306.3412.3冷水机组1 407—253.2—kW10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.T002表2水泵参数水泵类型流量/(m3/h)扬程/m功率/kW用户侧循环水泵（A）3683770用户侧循环水泵（B）2663755地源侧循环水泵（A）4113255地源侧循环水泵（B）26632402系统仿真模型地源热泵+冷却塔复合系统的Trnsys仿真模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F002图2地源热泵+冷却塔复合系统的Trnsys仿真模型地源热泵+冷却塔复合系统运行模式分为供热、制冷两种模式。冬季供暖时，地源热泵作为空调热源，机组1、机组2根据负荷变化依次开启为建筑供热；夏季制冷时，首先开启地源热泵机组1、机组2进行供冷，当冷负荷超出地源热泵机组总制冷能力时，再依次开启冷水机组3、机组4，同时开启与冷水机组相连的冷却塔1、冷却塔2进行制冷。Trnsys仿真模型中主要部件明细如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.T003表3Trnsys仿真模型中主要部件明细系统部件部件代码参数空调负荷加载Type682载入外部逐时负荷.txt数据地埋管换热器Type557a储热容积2.54×106 m3，钻井个数815，有效深度100 m。地源热泵机组TYPE225制热量2 171 kW，制冷量1 944 kW。冷水机组TYPE666制冷量1 407 kW水泵Type3b根据水泵不同用途设置参数气象参数Type109-TMY2淮南地区典型气象数据冷却塔Type51a风量2.4×105 m3/h，功率7.5 kW。3仿真结果分析3.1地埋管系统运行特性分析（1）年运行特性分析。地埋管全年入口水、出口水温变化情况如图3、图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F003图3地埋管全年入口水温变化情况10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F004图4地埋管全年出口水温变化情况由图3、图4可知，由于建筑冷热负荷变化，地埋管入、出口水温处于波动状态，且变化趋势一致。冬季系统运行期间，地埋管入、出口水温总体呈现下降趋势，地埋管平均出口温度10.64 ℃，平均入口温度7.81 ℃，平均温差2.83 ℃；夏季制冷期间，地埋管进出口水温总体呈现先上升后又下降的趋势，地埋管平均出口温度27.32 ℃，平均入口温度32.07 ℃，平均温差4.75 ℃。地源热泵系统的容量配置较为合理，避免向土壤过度吸放热量。（2）日运行特性分析。选取1月15日及7月15日系统运行期间地埋管进出水温度进行分析，分布为冬季和夏季数据，地埋管进出口水温变化情况如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F005图5地埋管进出口水温变化情况由图5可知，1月15日供暖期间，地埋管进出水温差呈现减小的趋势，原因为间歇运行使早晨开机负荷较大，随着室内外温度的逐渐上升，热负荷需求减小，从土壤中的取热量减少，进出口水温差随之减小。7月15日供冷期间，地埋管进出口水温呈上升趋势，平均温差为4.93 ℃，分析原因可知，当天冷负荷较大，平均负荷为5 946.73 kW，地源热泵系统长时间处于满负荷运行状态，向土壤排热量较大，造成土壤温度升高，地埋管进出口水温也逐渐升高。（3）土壤热平衡分析。为了进一步验证复合系统的稳定性，采用土壤热不平衡率计算对地源热泵子系统全年冷热平衡进行分析评价[9]。γ=Qx-Qpmax(Qx,Qp)×100% (5)式中：γ——全年土壤热不平衡率；Qx——土壤吸收热量，为2 851 690.15 kWh；Qp——土壤释放热量，为3 522 048.22 kWh。经计算，γ为19.03%。相关研究表明，土壤热不平衡率小于20%时，由于土壤的自我修复能力，将不会影响机组的正常工作[10]。为了描述地埋管周围土壤温度全年变化幅度大小，采用土壤温度变化率进行分析。β=Ti-ThTh×100% (6)式中：β——土壤温度变化率；Ti——某一时刻地埋管周围土壤温度，℃；Th——土壤恒温层温度，为17.1 ℃。土壤温度变化情况如图6所示。土壤年最高温度18.6 ℃，变化率8.77%，最低温度15.5 ℃，变化率-9.3%，年平均温度16.98 ℃，年变化率为-0.70%，基本与土壤初始温度持平。针对间歇式供暖制冷的建筑类型，采用冷却塔与地埋管换热器独立运行的方式，可以使地埋管周围土壤温度得到有效控制，避免冷热失衡。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F006图6土壤温度变化情况3.2节能效益分析（1）系统能耗分析。地源热泵机组与冷水机组能耗与能效如图7所示。供暖期间，地源热泵机组输入功率变化趋势与建筑负荷变化一致，总耗电量5.96×105 kWh，平均能效4.99；供冷期间，地源热泵机组耗电量6.55×105 kWh，平均能效5.78；冷水机组耗电量1.65×105 kWh，平均能效5.96；热泵机组全年总耗电量1.42×106 kWh，占系统总能耗78.0%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F007图7地源热泵机组与冷水机组能耗与能效水泵、冷却塔月耗电量如图8所示。水泵全年耗电量4.00×105 kWh，占系统总能耗21.7%；冷却塔仅在供冷期间运行，总耗电量6 105 kWh，占系统总能耗的0.3%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.F008图8水泵、冷却塔月耗电量（2）节能环保分析。研究采用地源热泵+冷却塔复合系统，冬季累计提供热量3.27×106 kWh，耗电量7.92×105 kWh，系统综合能效比为4.13；夏季累计提供冷量4.26×106 kWh，耗电量1.01×106 kWh，系统综合能效比为4.23；冬季供热与电锅炉系统相比，节约用电2.48×106 kWh；夏季制冷与多联机空调系统相比，节约用电5.68×105 kWh，全年总共节约用电3.00×106 kWh。地源热泵+冷却塔复合系统节能减排效益如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.007.T004表4地源热泵+冷却塔复合系统节能减排效益项目地源热泵+冷却塔复合系统年节约能耗/kWh3 267 483.60年节约标准煤/t1 307.00CO2年减排量/t3 424.34SO2年减排量/t11.11NOx减排量/t9.674结语针对夏热冬冷地区地源热泵系统的冷热失衡问题，利用Trnsys软件建立地源热泵+冷却塔复合系统的仿真模型，结合建筑物实际冷热负荷需求与特性，进行全年逐时模拟计算。系统可以完全满足建筑用能需求，实现了地埋管周围岩土体的冷热平衡，全年土壤热不平衡率为19.03%，具有良好的生态环境效益，CO2年减排量为3 424.34 t。