就实际工程而言，混合式地源热泵系统是存在两面性的，它有利于减少地埋管换热器投资，但本身也会产生增加冷却塔初投资和运行费用等问题。结合我国目前市场情况，冷却塔的初投资与地下换热管群的投资相比通常较小，甚至可忽略不计。若从此角度出发，地埋管换热器和冷却塔之间的运行控制与协调问题对于系统节能降耗的意义则更为明显（尤其是对于原始地温较高，且冷热负荷比较大的地区），但相关研究却并不多见。鉴于此，本文将针对上述问题开展初步模拟研究，以期为混合式地源热泵系统的优化设计与工程实践提供一定的理论依据。
1理论模型1.1运行控制策略一个典型的采用蒸发式冷却塔的混合式地源热泵系统的示意图。在运行过程中，系统会根据不同的控制策略，通过切换阀动作来启动或关闭冷却塔。一般地，混合式地源热泵系统可以采用以下三种运行控制策略。
控制策略1：设定冷却塔的运行时间，并在规定的时间域内启动冷却塔。
控制策略2：设定地埋管换热器流体平均温度。当温度超过设定值t时，启动冷却塔。
控制策略3：设定地埋管换热器流体温度与环境湿球温度的差值。当温差大于设定值Δt1时，启动冷却塔；当温差小于设定值Δt2时，关闭冷却塔。
对于上述运行控制策略，可以从多方面进行评价。若单从技术实现程度与成本上讲，上述控制策略排序为：控制策略1<控制策略2<控制策略3.
但本文主要侧重于从运行稳定性与系统节能角度进行分析，其中评价指标主要包括土壤温度场变化、冷却塔运行时间等。
笔者设计了一套基于逐时负荷模拟与圆柱热源理论的评价模型，并采用VisualBasic6.0软件编制了相应的可视化计算机模拟程序。给出了整个运行控制策略评价模型的流程图。从流程图可以看出，整个模型的核心可以归结为在限定条件（控制策略）下，解决地下土壤与管内流体的传热问题。
1.2传热模型1.2.1土壤传热模型鉴于本文重点研究系统运行控制策略，所以暂不考虑远边界土壤的波动、地下水流动以及热湿迁移等局部细节问题。这样，根据圆柱热源理论，无限大各向同性介质内竖直U形地埋管换热器非稳态传热解可表述为tw-t∞=QHG（Fo，p）λs（1）式中tw为钻孔壁温；t∞为远边界土壤温度；Q为传热量；H为钻孔深度；G（Fo，p）为G函数，其中Fo为傅里叶数，p为土壤计算点至钻孔中心距离与钻孔半径之比；λs为土壤平均导热系数。
傅里叶数定义如下：Fo=4ατd2（2）式中α为热扩散率；τ为运行时间；d为钻孔直径。
G（Fo，p）通常为较复杂的多阶Bessel函数，但文献[3]给出了一些特征解，足以满足工程应用精度要求。例如，当p=1时，G=10-0.891290.36081lgFo-0.05508lg2Fo3.596×10-3lg3Fo（3）考虑到混合式地源热泵系统在实际运行中，钻孔壁热流是逐时变化的。本文采用Yavuzturk提出的负荷累积方法来进行温度修正，其中热影响主导期确定为168h.逐时地下负荷的计算可以采用手工或专业软件模拟。 笔者在对此问题进行了详细描述，这里不再赘述。
1.2.2管内换热模型管内换热基本方程为Q=H（tw-tf）Rt（4）式中tf为流体平均温度；Rt为钻孔井壁至管内流体的传热热阻，组成如下：Rt=RcRpRf（5）
式中Rc，Rp，Rf分别为管内流体换热热阻、管壁导热热阻以及回填区热阻。特别地，考虑到地埋管换热器的埋深通常较大，管内流体多处于湍流状态，故可采用Dittus2Boelter关联式计算努塞尔数Nu：Nu=0。
023Re0.8Pr0.35（6）2结果分析2.1计算条件以南京地区某地源热泵项目为例进行分析，其中钻孔直径为300mm，有效深度为50m，换热器采用U形高强度聚乙烯管，规格为DN25.换热管和回填材料（长江沙）的导热系数分别为0.42和2.0W/（m？K）。恒温层土壤温度为17.8℃，导热系数和热扩散率分别为1.3W/（m？K）和0.74×10-6m2/s.
采用EnergyPlus软件对建筑及地下负荷进行模拟。单井的全年逐时排热负荷变化情况，其中冷热负荷不平衡比约为1.71.模拟中的有关室外参数采用了数据。
根据建议的南京地区典型空调期，设定模拟运行周期为5月9日至9月30日，共计145天。与比较可以看出二者基本一致，这也从一定程度上验证了逐时负荷模拟结果的准确性。
2.2计算结果2.2.1控制策略1根据控制策略1的基本思想，设定三个冷却塔运行时间段，即9：00～11：00，9：00～13：00和9：00～15：00.给出了混合式地源热泵系统在不同冷却塔运行时间段中钻孔壁的温度变化情况。
可以看出，与无冷却塔方式相比（0h曲线），随着冷却塔运行时间的增加，土壤温度场呈现出整体下降趋势，这会使地下冷热负荷不平衡有所缓解。进一步统计表明，当Δτ=2h，4h和6h时，冷却塔运
1下的土壤温度场行时间分别为290h，580h和870h，分别承担了原地下排热负荷的16.66，31.26和44.46，而地下负荷不平衡比分别为1.43，1.18和0.95.由此可见，对于控制策略1，Δτ存在一个较佳范围。
2.2.2控制策略2根据控制策略2的基本思想，系统运行过程中，当换热管内流体温度超过预先设定的启动温度t时，系统就会自动切换至冷却塔运行模式。设定四个冷却塔启动温度，即t=25℃，30℃，35℃和40℃。混合式地源热泵系统在不同冷却塔启动温度下的钻孔壁温度变化情况。可以看2下的土壤温度场出，控制策略2的主要特点是削峰，即有效地消除尖峰负荷的影响。启动温度越高，削峰效果越差。特别地，t=40℃时的温度曲线与none曲线（无冷却塔方式）基本重合，说明此条件下控制策略几乎不起作用。
进一步统计表明，当t=25℃，30℃，35℃和40℃时，冷却塔运行时间分别为730h，376h，135h和6h，分别承担了原地下排热负荷的40.13，26.46，11.64和0.63，而地下冷热负荷不平衡比分别为1.03，1.26，1.51和1.70.由此可见，启动温度t的选取也面临地下热平衡与冷却塔运行时间之间的协调问题。
2.2.3控制策略3控制策略3是基于冷却塔换热提出的，它实质上规定了冷却塔与室外湿空气之间的换热条件，其主要原因是蒸发式冷却塔的工作性能受外界空气湿度的影响较大。当然，若混合式地源热泵系统采用干式冷却塔方式，环境干球温度将会起重要作用。
为了研究方便，将Δt1分别设定为4℃，6℃，8℃和10℃，而固定Δt2为2℃。给出了混合式地源热泵系统在控制策略3下的钻孔壁温度变化情况。可以看出，随着Δt1的减小，土壤温度
3下的土壤温度场场也呈现出降低趋势。当Δt1=4℃，6℃，8℃和10℃时，冷却塔运行时间分别为567h，428h，291h和168h，分别承担了原地下排热负荷的32.53，26.59，19.80和12.21，而地下负荷不平衡比分别为1.16，1.25，1.37和1.50.所以，与控制策略1和控制策略2类似，Δt1的选择也存在一个最佳范围。
2.2.4控制策略比较为了便于比较，暂且先确定一个工程实际中通常可以接受的地下负荷不平衡比（不妨取1.16）。
列出了几种控制策略的模拟性能比较结果。
可以看出，若保证相同地下冷热负荷不平衡比，冷却塔在控制策略1下的运行时间最长，而在控制策表1几种控制策略性能比较运行时间/h控制参数控制策略15804h控制策略253027.8℃控制策略35674℃略2下的运行时间最短，此时对应的冷却塔启动温度t为27.8℃。因此，从冷却塔节能与安全运行角度考虑，尤其是对于大规模地下管群系统，建议采用方案2或方案3.
这里需要指出的是，对于实际的混合式地源热泵系统，通常还要结合各种条件（如地质及气象特性、埋管布置方式、冷却塔与环境之间的复杂换热问题等），因地制宜地确定其运行控制策略。此外，实际系统还可以采用上述三种控制策略相互组合的运行方式，以达到扬长避短的效果，但这可能会对控制装置的软硬件提出更高要求。从这个角度讲，本文的研究仅是初步的，更加缜密的控制策略的提出仍有待于进一步研究。
3结论3.1针对混合式地源热泵系统，提出了三种运行控制策略，建立了基于圆柱热源理论的评价模型与计算机实现流程。
3.2混合式地源热泵系统对于消除地下负荷不平衡是有利的，但不同的运行控制策略都会面临地下热平衡与冷却塔运行时间之间的协调优化问题。在保证相同地下冷热负荷不平衡比以及冷却塔运行节能的前提下，建议采用控制策略2或控制策略3.
3.3对于实际的混合式地源热泵系统，应综合考虑各种影响因素，以确定其合理的运行控制策略，也可考虑采用上述三种控制策略相互组合的运行方式。
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