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地源热泵系统优化方法初探

华中科技大学 谷炳龙 胡平放 江章宁 雷飞 孙启明 徐菱虹 摘 要 如何最大限度降低地源热泵系统在整个生命周期内的总费用，涉及到系统的工程设计、运行与整个系统的优化。本文总结了国内外现有的地源热泵系统优化研究工作，提出了利用遗传算法进行地源热泵系统优化的思路。

关键词 地源热泵 模型 系统优化 遗传算法

0前言

地源热泵作为一种可再生能源利用技术，具有比传统空调更大的优势。高效节能，比空气源热泵节约20%~30%的运行费用;运行稳定可靠地下水温度一年四季相对稳定;一机多用，应用范围广,不但可以供暖、供冷，还可以供生活热水，特别是对于同时具有供热和供冷要求的建筑物。是一项值得大力推广的新技术。虽然地源热泵在国内外应用已经比较广泛，尤其是欧美发达国家，但它的应用也受到了一定因素的限制。它的高初投资是影响其应用的主要原因，从系统总体来分析，如何降低地源热泵系统在整个生命周期的总费用，是需要研究的关键，这对于推动地源热泵更广范围的应用，节约更多的一次能源，有重要意义。

1国内外研究进展

降低地源热泵系统在整个生命周期的总费用是地源热泵系统优化问题。杨昭等做了关于水—水热泵系统全年性能优化的研究，提出了热泵全年性能系数，并以此为优化目标函数，换热器面积比为优化变量，研究在压缩机机开停控制方式下系统的优化匹配。只是单独研究了水—水热泵机组的优化运行。山东建工学院刁乃仁等在地源热泵优化设计地热换热器方面做了研究。分析了影响地热换热器换热功能各因素，钻孔间距、土壤表观导热系数与体积比热、U型管两支管间的热量回流、灌浆导热系数、地下渗流等对地源热泵系统换热的影响，怎样更好的提高地源热泵系统换热效果。地源热泵空调是一个系统工程，它通常由用户末端、热泵主机及地热换热器等部分组成。因此，欲实现整个系统优化，仅有地热换热器自身的优化设计还远远不够，应从设计初投资和运行方面考虑使地源热泵系统在整个生命周期优化。东南大学的杨卫波等做了基于遗传算法的太阳能—地热复合源热泵系统的优化。建立了基于部件模型的太阳能地热复合源热泵系统的数学模型,以根据该模型计算出的初投资与运行能耗为优化目标,以集热器面积与埋管深度为优化变量, 采用遗传优化算法对系统进行了优化设计。大连理工大学的华蓉蓉等采用了基于粒子群算法的土壤源热泵系统优化，该优化方法以费用年值最低为目标函数在耦合粒子群优化算法的TRNSYS土壤源热泵系统模拟平台进行土壤源热泵系统优化，得出最优设计方案。Hikmet Esen 则利用人工神经网络与自适应神经模糊推理系统来建立地源热泵系统的热泵机组模型，能够预测热泵机组效率和流体出水温度，应用于地源热泵系统优化设计与节能运行。 2地源热泵系统模型

要模拟系统的运行过程，需要建立系统模型。地源热泵系统模型包括室内负荷计算、热泵机组模型、地下换热器模型。将地下换热器模型、地源热泵机组模型和计算模拟出来的负荷结合起来就构成了整个地源热泵系统的数学模型

2.1室内负荷

室内负荷可以通过各种负荷模拟软件进行模拟， DST 、DOE 、Energyplus 等。模拟出来的负荷作为系统模型的负荷输入。 [5][4][3][2][1]