1、合肥地區(qū)典型建筑能耗模擬及其混合式地源熱泵運行方法研究 張勇 陳正順合肥工業(yè)大學建筑設計研究院 安徽 合肥230009摘 要：指出地源熱泵運行時，其地埋管換熱器全年吸/排熱平衡的重要性，混合式地源熱泵在工程應用時，主要作用之一是維持地埋管換熱器的全年“熱平衡”。通過對合肥地區(qū)幾類常見的典型建筑進行全年能耗模擬，得出不同建筑冬、夏季地埋管換熱器吸/排熱的比例，結合某具體混合式地源熱泵實驗，分析出基于全年地埋管換熱器“熱平衡”的不同類型建筑應用混合式地源熱泵的控制方法和控制參數(shù)。關鍵詞：混合式地源熱泵；熱平衡；控制方法；能耗模擬Typical construction energy consump

2、tion simulation and HGSHP operation method study in HeFei areaZHANG Yong，CHEN ZhengShun.HFUT Institute of Architectural Design AnHui HeFei 230009Abstract: Pointed out the importance of the balanced of the GSHPs ground heat exchanger heat absorption and heat-removal in a whole year, HGSHP in project

3、application, one of leading roles is the maintenance of ground heat exchanger annual “thermal equilibrium”. Carries on the annual energy consumption simulation to the HeFei area several kind of common model constructions, obtains the different construction winter, the proportion of ground heat excha

4、nger heat absorption and heat-removal in a whole year, with a concrete HGSHP experiment, analyzes based on the annual ground heat exchanger “the thermal equilibrium” different type construction application HGSHPs control method and controlled variable.Key words: HGSHP; thermal equilibrium; control m

5、ethod; energy consumption simulation0.引言地源熱泵被“認為”是一種利用地能的空調形式，但在工程應用中有很多失敗的案例，很多是因為地埋管周圍的巖土溫度逐年升高（降低），導致地埋管換熱系統(tǒng)的癱瘓，主要原因是由于地源熱泵在地下水流動緩慢地區(qū)使用時實質上是一種轉移冬、夏季空調負荷的“蓄能”空調。近年來，在夏季空調冷負荷大于冬季空調熱負荷的地區(qū)大量的采用了地源熱泵地埋管加冷卻塔輔助散熱的工程，這種地源熱泵形式稱之為混合式地源熱泵系統(tǒng)（HGSHPs），該形式的地源熱泵的出現(xiàn)主要有以下兩點目地：1.緩解傳統(tǒng)地源熱泵地埋管的“熱堆積”現(xiàn)象，降低地源熱泵空調系統(tǒng)的初投資和地

6、埋管的占地面積1；2.平衡地埋管全年熱平衡，維持地源熱泵長期運行的穩(wěn)定與效率。一般混合式地源熱泵的研究重點是基于地埋管全年熱平衡的控制方法與控制參數(shù)的研究2，但是，即使在同一地區(qū)同等氣候條件下，不同類型的建筑有不同功能與不同的空調運行方式 ，也就是針對不同的建筑，混合式地源熱泵也應該有具體的控制方法與控制參數(shù)。1.混合式地源熱泵的控制策略分析混合式地源熱泵冷卻塔與地埋管具體的連接形式與冷卻塔的選型已經比較成熟，詳見文獻3。本文重點討論混合式地源熱泵控制方法與控制參數(shù)，具體的控制原則有以下三利用室外環(huán)境氣候，提高整個效率，通過減少或停止向地埋管周圍土壤排熱以緩解地埋管周圍的“熱堆積”現(xiàn)象，即提供

7、時間讓地埋管周圍換熱區(qū)域的巖土的熱量向周圍擴散或被地下水帶走。根據以上原則，以充分利用室外環(huán)境氣候，提高空調系統(tǒng)運行效率為目的，可以根據夏季進入機組冷凝器的冷卻水的溫度與室外環(huán)境大氣濕球溫度溫差來控制冷卻塔與地埋管的運行方式，充分利用室外環(huán)境給冷卻水降溫以提高制冷機組效率；以平衡地埋管周圍巖土的冬、夏季的熱平衡為目的，可以設定地埋管出口水溫或者設定地源熱泵機組運行時間段來控制冷卻塔與地埋管的運行方式；以改善地埋管周圍巖土換熱效果減少熱堆積為目的，可以設定地埋管運行時間段或者根據地埋管出口的水溫來控制地埋管與冷卻塔的運行方式。綜合以上分析，或夏季地源熱泵機組冷凝器入口水溫；2.以地埋管出口水溫或

8、夏季制冷機組冷凝器入口水溫與室外環(huán)境大氣濕球溫度差來控制，以充分利用室外環(huán)境；3控制冷卻塔運行時間段。這三種控制方法中，方法1的控制比較明確，可以控制地埋管冬、夏季的換熱平衡；方法2的控制可以充分利用室外環(huán)境溫度，對地源熱泵機組效率的提高明顯，但是這種方法受環(huán)境影響大，可控制性差，一般不易控制地源熱泵主機夏季向地埋管周圍巖土的排熱量，也就是無法很好的控制地埋管冬、夏季換熱的平衡；方法3的控制性好，但是需要配置較大的冷卻塔，在中小型工程和夏季冷負荷受室外環(huán)境溫度影響不大的以人員負荷為主的場合不適用。方法1的控制策略從可控制性和平衡冬、夏季地埋管換熱平衡上看是比較好的。2.合肥地區(qū)常見各類型建筑全

9、年能耗模擬本文按照現(xiàn)頒布的建筑節(jié)能標準規(guī)定，分別對辦公、賓館，住宅，商場等不同類型的常見建筑進行全年空調能耗模擬，以辦公建筑為例：辦公建筑按照外墻為200mm·k，窗墻比：0.40.5.，導熱系數(shù)2.8，遮陽系數(shù)0.4/0.5，/，人均新風為30m3/h, 照明負荷12w/,電器、負荷為18 w/計算出全年單位空調面積空調負荷如圖1所示。 圖1 辦公建筑單位空調面積全年空調能耗其余建筑模擬時設定以下參數(shù)（所有建筑均是正南朝向）：1.商場無窗，典型商場玻璃門，人員密度5人/，人均新風為20m3/h, 外墻為200mm·k。照明負荷20w/,電器、電梯、插座等負荷為30 w/；

10、2. 住宅建筑：建筑面積120，體形系數(shù)3.0，入住5人，外墻為200mm*k。窗墻比0.4，導熱系數(shù)，遮陽系數(shù)0.5/0.6；3. 賓館建筑（按三星級標準）按照外墻為200mm·k。窗墻比：0.40.5，導熱系數(shù)2.8，遮陽系數(shù)0.4/0.5，/，人均新風為30m3/h, 照明負荷10w/,電器負荷為15 w/。模擬結果總結如表1所示。本文按照4，由公式：；，分別計算不同類型建筑的地源熱泵垂直地埋管的冬、夏的排/吸熱比例，結果見表2。從模擬的結果可以看出，合肥地區(qū)常見類型建筑的冬、夏季空調負荷均為夏季冷負荷大于冬季熱負荷，其中商場建筑的冬、夏季空調符合相差最大，賓館建筑冬、夏季空調

11、負荷基本相同。 比較項目建筑類型夏季最大空調負荷單位：w/夏季空調總負荷單位：kw*H/冬季最大空調負荷單位：w/冬季空調總負荷單位：kw*H/住宅建筑2商場建筑辦公建筑賓館建筑表2.各類常見建筑冬、夏季空調負荷與地埋管換熱器吸/排熱的比較 比較項目建筑類型夏季空調總負荷與冬季空調總負荷之比夏季地埋管總排熱量與冬季地埋管總吸熱量之比住宅建筑商場建筑4.55辦公建筑1.82賓館建筑1.123.1實驗臺介紹實驗主機為水-水型地源熱泵機組，地埋管長度為200米（兩根60米深，一根80米深垂直單U形管，并聯(lián)連接），規(guī)格為DN25，PE100聚乙烯管單U形管。實驗臺裝置原理圖見圖2，主要設備及測量儀器見

12、表3。表3實驗臺主要設備儀器材料說明表儀器名稱型號主要性能參數(shù)制冷主機J043WLD-HLA/AS額定制冷量：10.5KW， COP值：4；額定制熱量：電磁流量計PC-LDY-25-11-12精確度0.5%，量程為0.53m3/h，電極材料為316L，電源AC220V鉑電阻測溫探頭WZP-020P分度號是Pt100；測溫范圍+-50；四線制；屏蔽導線采用的是武漢市海運線纜廠生產的聚乙烯絕緣屏蔽電線，型號RVVP，執(zhí)行標準JB8734.5-1998，額定電壓：220/220V。多回路巡檢儀BSD-MD64使用環(huán)境：0-50，濕度85%，電壓220VAC，測量精度：0.5%。通道之間誤差0.5%，

13、采樣時間為3分鐘一次冷卻塔定做圓形逆流閉式冷卻塔，流量3T/h源側水泵ISG25-125流量：3/h,揚程：15m負荷側水泵ISG25-110流量：3/h,揚程：20m實驗方法是：通過溫度控制箱設定地源熱泵機組冷凝器入口的水溫，控制安裝在冷卻塔入口管道處的電動三通閥的開度，同時記錄冷卻塔水流量，地埋管水流量，制冷機組冷凝器、冷卻塔、地埋管進出口水溫，記錄數(shù)據由多回路巡檢儀器每三分鐘記錄一次，可以根據水流量與水流量溫差計算源側冷卻塔與地埋管所排放的熱量。主機負荷側同樣可以根據冷凍水流量與冷凍水溫差計算地源熱泵主機的制冷量。實驗內容主要是分別進行設定地源熱泵主機源側入口水溫分別為28、30、32地

14、埋管與冷卻塔的并聯(lián)實驗，記錄地埋管與冷卻塔的排熱量與機組和整個空調系統(tǒng)的能效比。圖2.實驗臺裝置原理圖測量即獲得參數(shù)量值的過程，表征被測對象物質屬性客觀存在的量值稱為真值。理論上講任何被測量值都不可能等于真值，而只可能逼近真值，所以分析測量精度與誤差是十分必要的。在科學研究中，只有當測量結果的誤差己經知道或能夠指出誤差的可能范圍，此時實驗所提供的數(shù)據才有意義。溫度測量誤差：本實驗中以熱電阻為測溫元件，在不考慮傳熱誤差情況下，其誤差由以下幾方面組成：分度誤差1：標準化的熱電阻分度表是由統(tǒng)計分析產生的，因此具體所采用的熱電阻會因為材料制作工藝而有所不同。這就形成了熱電阻的分度誤差。由數(shù)據采集器采集

15、的溫度值經過恒定濕熱試驗箱修正后，1=00.47；線路電阻變化引起的溫差2：在熱電阻使用前，已對每個有固定長導線的熱電阻進行了標定，設恒定濕熱試驗箱溫度偏差a1，人員讀數(shù)偏差a2，以及萬用表精度誤差a3。一般a1、a2、a3，分別取5、1、0。所以:；自熱誤差3：由于測量過程中的電流經過熱電阻時產生溫升而引起的附加誤差，它與電流大小和介質有關，一般規(guī)定電流不超過6mA，其自熱誤差不超過，所以3=0.1從而，整個測溫系統(tǒng)的誤差為：實驗期間測量的最低溫度為（機組源側），取最大誤差來分析：。流量測量誤差：本系統(tǒng)選用電磁流量計測量流量，其基本參數(shù)見表1。流量測量的最大相對誤差為：系統(tǒng)在最小流量為3/h

16、，流量測量的最大相對誤差為：。地下?lián)Q熱量的間接測量誤差：地埋管換熱器和冷卻塔的換熱量由下式確定： 其中Cp為水的比熱容，單位J/kg·；m為水的質量流量，單位kg/h；T為水的溫差,單位；方差傳遞公式1： （1）依正態(tài)分布寫成誤差限形式，化簡后公式2： （2）兩邊同時除以Q2得公式3： （3）由于地下埋管進出水溫度測點設置在采集器的同一采集通道上，每一次溫度采集的誤差，在發(fā)生的方向和大小上是相同的，所以二者的差值不受溫度測量誤差的影響。由此，上式可簡化成公式4： （4）說明本試驗中地下埋管換熱量的間接測量誤差等于流量的直接測量誤差值，相對誤差在%以內。3.3 實驗結果本實驗日期為20

17、08年8月7號至2008年8月9號，每天早上9點開機，連續(xù)運行8小時至下午5點關機。實驗設定地埋管出口水溫分別為28，30，32，分別每天連續(xù)運行8小時，記錄實驗結果如表3所示。 設定參數(shù)實驗分項定地埋管出口水溫度28定地埋管出口水溫度30定地埋管出口水溫度32冷卻塔排熱量（百分比）75%43%27%地埋管排熱量（百分比）25%57%73%制冷機組能效比 w/w空調系統(tǒng)能效比 w/w從實驗結果上看，地埋管出口水溫設定的越低地源熱泵機組與空調系統(tǒng)能效比越高，同時，地埋管出口水溫設定的越低，冷卻塔排熱所占整個地源熱泵機組夏季制冷時排熱總量的比例越大，但是地源熱泵要考慮將夏季排入大地的熱量供冬季使用

18、，也就是要保持地埋管周圍換熱區(qū)域巖土有一定的熱量儲備以供冬季使用。從地埋管吸/排熱平衡方面即從地源熱泵系統(tǒng)長期的能效比和安全性方面看，一般地埋管吸熱/排熱相差在20%以內，則地埋管吸/排熱基本平衡5。4.合肥地區(qū)不同類型建筑的混合式地源熱泵控制方法根據地埋管全年熱平衡的原則，結合上文常見不同類型建筑的地埋管吸/排熱比例的模擬結果和本次實驗結果，將不同類型建筑的混合式地源熱泵控制參數(shù)總結如表4所示。 建筑類型設定參數(shù)住宅建筑辦公建筑賓館建筑商場建筑設定地埋管出口水溫單位：292930<28以上建筑中只有賓館建筑的地埋管排/吸熱相差最小可以設定地埋管出口水溫為30，住宅、辦公建筑只能設定地埋

19、管出口水溫為29，而商場建筑由于其地埋管排熱/吸熱比最大為1：0，設定地埋管出口水溫度要在28以下。合肥地區(qū)夏季空調設計的室外環(huán)境濕球溫度是ts=，一般開式冷卻塔出口水溫為t=ts+35,而混合式地源熱泵一般用閉式冷卻塔，其出口水溫比開式冷卻塔高出12,冷卻塔的出口水溫一般比環(huán)境濕球溫度高5。一般混合式地源熱泵冷卻塔的容量是根據部分夏季最大空調設計負荷確定1，冷卻塔只是對部分機組冷卻水降溫，也就是進入地埋管的冷卻水溫度高于冷卻塔能夠將冷卻水將溫的溫度下限。在實際工程應用中，如果是設定地埋管出口水溫低于28，則要配置較大冷卻塔，并且需要在夏季空調負荷不大的，室外環(huán)境濕球溫度不高的情況下運行。所以

20、，對于像商場這類地埋管排熱量遠大于吸熱量的建筑，可以采用以下兩點控制方法：1.對于大型工程，可以采用多臺制冷機組運行，根據冬季負荷選者地源熱泵機組容量，夏季負荷可以由單冷制冷機組與地源熱泵機組共同承擔，但是要注意地源熱泵機組運行的時間，因為大部分情況下，夏季空調負荷是低與最大設計負荷的，如果僅僅把地源熱泵機組作為夏季空調負荷不足部分的補充可能導致地埋管冬季吸熱量大于夏季排熱量的情況。在實際使用時，需要對建筑進行全年能耗計算，選擇合適的地源熱泵機組運行時段，使地源熱泵機組夏季運行結束時，其地埋管總排熱量基本與冬季地埋管總的吸熱量平衡，控制方法可以采用控制地埋管出水溫度或設定時間段運行地源熱泵機組；2.對于只能用一臺機組的工程，可以適當增大冷卻塔容量，在地源熱泵可以完全使用冷卻塔的情況下完全使用冷卻塔，比如供冷季節(jié)的初期與末期，空調負荷不大而室外濕球溫度較低有利于冷卻塔運行的情況下機組完全使用冷卻塔，控制方法可以通過比較制冷機組冷凍水回水溫度來控制冷卻塔的啟停，通過冷凍水回水溫度來判斷建筑空調負荷情況從而決定是否全部使用冷卻塔。合肥地區(qū)夏季制冷季節(jié)各個不同時間段的能耗分析如表5所示： 比較項目建筑類型夏季5、6月份空調負荷占總夏季空調負荷的比例（%）夏季7、8月份空調負荷占總夏季空調負荷的比例（%）夏季9月份空調負荷占總夏