合肥地區(qū)典型建筑能耗模擬及其混合式地源熱泵運(yùn)行方法研究

1、合肥地區(qū)典型建筑能耗模擬及其混合式地源熱泵運(yùn)行方法研究 張勇 陳正順合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 安徽 合肥230009摘 要：指出地源熱泵運(yùn)行時(shí)，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(yīng)用時(shí)，主要作用之一是維持地埋管換熱器的全年“熱平衡”。通過對(duì)合肥地區(qū)幾類常見的典型建筑進(jìn)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(jié)合某具體混合式地源熱泵實(shí)驗(yàn)，分析出基于全年地埋管換熱器“熱平衡”的不同類型建筑應(yīng)用混合式地源熱泵的控制方法和控制參數(shù)。關(guān)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(rèn)為”是一種利用地能的空調(diào)形式，但在工程應(yīng)用中有很多失敗的案例，很多是因?yàn)榈芈窆苤車膸r土溫度逐年升高（降低），導(dǎo)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(dòng)緩慢地區(qū)使用時(shí)實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)移冬、夏季空調(diào)負(fù)荷的“蓄能”空調(diào)。近年來，在夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季空調(diào)熱負(fù)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(diǎn)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(diào)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(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定與效率。一般混合式地源熱泵的研究重點(diǎn)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(diào)運(yùn)行方式 ，也就是針對(duì)不同的建筑，混合式地源熱泵也應(yīng)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(jīng)比較成熟，詳見文獻(xiàn)3。本文重點(diǎn)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點(diǎn)：1.充分利用室外環(huán)境氣候，提高整個(gè)高空調(diào)體統(tǒng)的運(yùn)行效率；2.平衡地源熱泵地埋管周圍巖土的熱平衡提高整個(gè)

7、地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)的運(yùn)行效率；3.改善地源熱泵地埋管的換熱效率，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，即提供時(shí)間讓地埋管周圍換熱區(qū)域的巖土的熱量向周圍擴(kuò)散或被地下水帶走。根據(jù)以上原則，以充分利用室外環(huán)境氣候，提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率為目的，可以根據(jù)夏季進(jìn)入機(jī)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(yùn)行方式，充分利用室外環(huán)境給冷卻水降溫以提高制冷機(jī)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(shè)定地埋管出口水溫或者設(shè)定地源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間段來控制冷卻塔與地埋管的運(yùn)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(shè)定

8、地埋管運(yùn)行時(shí)間段或者根據(jù)地埋管出口的水溫來控制地埋管與冷卻塔的運(yùn)行方式。綜合以上分析，混合式地源熱泵可以由以下方法進(jìn)行控制：1.控制地埋管出口水溫或夏季地源熱泵機(jī)組冷凝器入口水溫；2.以地埋管出口水溫或夏季制冷機(jī)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(yùn)行時(shí)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(duì)地源熱泵機(jī)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(jī)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

9、，但是需要配置較大的冷卻塔，在中小型工程和夏季冷負(fù)荷受室外環(huán)境溫度影響不大的以人員負(fù)荷為主的場(chǎng)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)常見各類型建筑全年能耗模擬本文按照現(xiàn)頒布的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別對(duì)辦公、賓館，住宅，商場(chǎng)等不同類型的常見建筑進(jìn)行全年空調(diào)能耗模擬，以辦公建筑為例：辦公建筑按照外墻為200mm混凝土墻+聚苯內(nèi)保溫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.885w/mk，窗墻比：0.40.5.，導(dǎo)熱系數(shù)2.8，遮陽(yáng)系數(shù)0.4/0.5，人員密度0.2人/，人均新風(fēng)為30m3/h, 照明負(fù)荷12w/,電器、負(fù)荷為18 w/計(jì)算出全年單位空調(diào)面積空調(diào)負(fù)荷如圖1所

10、示。 圖1 辦公建筑單位空調(diào)面積全年空調(diào)能耗其余建筑模擬時(shí)設(shè)定以下參數(shù)（所有建筑均是正南朝向）：1.商場(chǎng)無窗，典型商場(chǎng)玻璃門，人員密度0.45人/，人均新風(fēng)為20m3/h, 外墻為200mm混凝土墻+聚苯內(nèi)保溫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.885w/mk。照明負(fù)荷20w/,電器、電梯、插座等負(fù)荷為30 w/；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混凝土墻+聚苯內(nèi)保溫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.885w/m*k。窗墻比0.4，導(dǎo)熱系數(shù)3.0，遮陽(yáng)系數(shù)0.5/0.6；3. 賓館建筑（按三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）按照外墻為200mm混凝土墻+聚苯內(nèi)保溫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.885w/mk。窗墻比：0.40.5

11、，導(dǎo)熱系數(shù)2.8，遮陽(yáng)系數(shù)0.4/0.5，人員密度0.1人/，人均新風(fēng)為30m3/h, 照明負(fù)荷10w/,電器負(fù)荷為15 w/。模擬結(jié)果總結(jié)如表1所示。本文按照地源熱泵機(jī)組夏季制冷效率取4.5，冬季制熱效率取4.24，由公式：；，分別計(jì)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(jié)果見表2。從模擬的結(jié)果可以看出，合肥地區(qū)常見類型建筑的冬、夏季空調(diào)負(fù)荷均為夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，其中商場(chǎng)建筑的冬、夏季空調(diào)符合相差最大，賓館建筑冬、夏季空調(diào)負(fù)荷基本相同。表1.各類建筑全年空調(diào)負(fù)荷情況 比較項(xiàng)目建筑類型夏季最大空調(diào)負(fù)荷單位：w/夏季空調(diào)總負(fù)荷單位：kw*H/冬季最大空調(diào)負(fù)荷單位：w/

12、冬季空調(diào)總負(fù)荷單位：kw*H/住宅建筑132.322.596.511.5商場(chǎng)建筑209.9185.6130.140.8辦公建筑154.4126.3123.969.4賓館建筑126.6143.290.4127.9表2.各類常見建筑冬、夏季空調(diào)負(fù)荷與地埋管換熱器吸/排熱的比較 比較項(xiàng)目建筑類型夏季空調(diào)總負(fù)荷與冬季空調(diào)總負(fù)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1.963.14商場(chǎng)建筑4.557.30辦公建筑1.822.92賓館建筑1.121.803.基于地埋管全年熱平衡的混合式地源熱泵運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹實(shí)驗(yàn)主機(jī)為水-水型地源熱泵機(jī)組，地埋管長(zhǎng)度為200米（兩根60米深，

13、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(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置原理圖見圖2，主要設(shè)備及測(cè)量?jī)x器見表3。表3實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備儀器材料說明表儀器名稱型號(hào)主要性能參數(shù)制冷主機(jī)J043WLD-HLA/AS額定制冷量：10.5KW， COP值：4；額定制熱量：13.5KW， COP值：4.3電磁流量計(jì)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(cè)溫探頭WZP-020P分度號(hào)是Pt100；測(cè)溫范圍+-50；四線制；屏蔽導(dǎo)線采用的是武漢市海運(yùn)線纜廠生產(chǎn)的聚乙烯絕緣屏蔽電線，型號(hào)RVVP，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB8734.5-

14、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(cè)量精度：0.5%。通道之間誤差0.5%，采樣時(shí)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(cè)水泵ISG25-125流量：2.5m3/h,揚(yáng)程：15m,電功率：0.75kw負(fù)荷側(cè)水泵ISG25-110流量：2.5m3/h,揚(yáng)程：20m,電功率：0.75kw實(shí)驗(yàn)方法是：通過溫度控制箱設(shè)定地源熱泵機(jī)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(dòng)三通閥的開度，同時(shí)記錄冷卻塔水流量，地埋管水流量，制冷機(jī)組冷凝器、冷卻塔、地埋管進(jìn)出口水溫，記錄數(shù)據(jù)由多回路巡檢儀器每三分

15、鐘記錄一次，可以根據(jù)水流量與水流量溫差計(jì)算源側(cè)冷卻塔與地埋管所排放的熱量。主機(jī)負(fù)荷側(cè)同樣可以根據(jù)冷凍水流量與冷凍水溫差計(jì)算地源熱泵主機(jī)的制冷量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是分別進(jìn)行設(shè)定地源熱泵主機(jī)源側(cè)入口水溫分別為28、30、32地埋管與冷卻塔的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，記錄地埋管與冷卻塔的排熱量與機(jī)組和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效比。圖2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置原理圖3.2實(shí)驗(yàn)誤差分析測(cè)量即獲得參數(shù)量值的過程，表征被測(cè)對(duì)象物質(zhì)屬性客觀存在的量值稱為真值。理論上講任何被測(cè)量值都不可能等于真值，而只可能逼近真值，所以分析測(cè)量精度與誤差是十分必要的。在科學(xué)研究中，只有當(dāng)測(cè)量結(jié)果的誤差己經(jīng)知道或能夠指出誤差的可能范圍，此時(shí)實(shí)驗(yàn)所提供的數(shù)據(jù)才有意義。溫

16、度測(cè)量誤差：本實(shí)驗(yàn)中以熱電阻為測(cè)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(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻分度表是由統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生的，因此具體所采用的熱電阻會(huì)因?yàn)椴牧现谱鞴に嚩兴煌?。這就形成了熱電阻的分度誤差。由數(shù)據(jù)采集器采集的溫度值經(jīng)過恒定濕熱試驗(yàn)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(duì)每個(gè)有固定長(zhǎng)導(dǎo)線的熱電阻進(jìn)行了標(biāo)定，設(shè)恒定濕熱試驗(yàn)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0.05、0.01、0。所以:；自熱誤差3：由于測(cè)量過程中的電流經(jīng)過熱電阻時(shí)產(chǎn)生溫升而引起的附加誤差，它與電流大小和介質(zhì)有關(guān)，一般規(guī)

17、定電流不超過6mA，其自熱誤差不超過0.1，所以3=0.1從而，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的誤差為：實(shí)驗(yàn)期間測(cè)量的最低溫度為18.5（機(jī)組源側(cè)），取最大誤差0.483來分析：。流量測(cè)量誤差：本系統(tǒng)選用電磁流量計(jì)測(cè)量流量，其基本參數(shù)見表1。流量測(cè)量的最大相對(duì)誤差為：系統(tǒng)在最小流量為2.21m3/h，流量測(cè)量的最大相對(duì)誤差為：。地下?lián)Q熱量的間接測(cè)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(zhì)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(jiǎn)后公式2： （2）兩邊同時(shí)除以Q2得公式3： （3）由于地下埋管進(jìn)出水溫度測(cè)點(diǎn)

18、設(shè)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(cè)量誤差的影響。由此，上式可簡(jiǎn)化成公式4： （4）說明本試驗(yàn)中地下埋管換熱量的間接測(cè)量誤差等于流量的直接測(cè)量誤差值，相對(duì)誤差在0.68%以內(nèi)。3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)日期為2008年8月7號(hào)至2008年8月9號(hào)，每天早上9點(diǎn)開機(jī)，連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)至下午5點(diǎn)關(guān)機(jī)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定地埋管出口水溫分別為28，30，32，分別每天連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3.混合式地源熱泵運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果 設(shè)定參數(shù)實(shí)驗(yàn)分項(xiàng)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%

19、43%27%地埋管排熱量（百分比）25%57%73%制冷機(jī)組能效比 w/w3.743.523.31空調(diào)系統(tǒng)能效比 w/w2.522.452.41從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，地埋管出口水溫設(shè)定的越低地源熱泵機(jī)組與空調(diào)系統(tǒng)能效比越高，同時(shí)，地埋管出口水溫設(shè)定的越低，冷卻塔排熱所占整個(gè)地源熱泵機(jī)組夏季制冷時(shí)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，也就是要保持地埋管周圍換熱區(qū)域巖土有一定的熱量?jī)?chǔ)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(zhǎng)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(nèi)，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

20、制方法根據(jù)地埋管全年熱平衡的原則，結(jié)合上文常見不同類型建筑的地埋管吸/排熱比例的模擬結(jié)果和本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將不同類型建筑的混合式地源熱泵控制參數(shù)總結(jié)如表4所示。表4.不同類型建筑混合式地源熱泵控制參數(shù) 建筑類型設(shè)定參數(shù)住宅建筑辦公建筑賓館建筑商場(chǎng)建筑設(shè)定地埋管出口水溫單位：29293028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(shè)定地埋管出口水溫為30，住宅、辦公建筑只能設(shè)定地埋管出口水溫為29，而商場(chǎng)建筑由于其地埋管排熱/吸熱比最大為1：7.30，設(shè)定地埋管出口水溫度要在28以下。合肥地區(qū)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)的室外環(huán)境濕球溫度是ts=28.2，一般開式冷卻塔出口水溫為t=ts+35,而混合式

21、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(jù)部分夏季最大空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷確定1，冷卻塔只是對(duì)部分機(jī)組冷卻水降溫，也就是進(jìn)入地埋管的冷卻水溫度高于冷卻塔能夠?qū)⒗鋮s水將溫的溫度下限。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果是設(shè)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(diào)負(fù)荷不大的，室外環(huán)境濕球溫度不高的情況下運(yùn)行。所以，對(duì)于像商場(chǎng)這類地埋管排熱量遠(yuǎn)大于吸熱量的建筑，可以采用以下兩點(diǎn)控制方法：1.對(duì)于大型工程，可以采用多臺(tái)制冷機(jī)組運(yùn)行，根據(jù)冬季負(fù)荷選者地源熱泵機(jī)組容量，夏季負(fù)荷可以由單冷制冷機(jī)組與地源熱泵機(jī)組共同

22、承擔(dān)，但是要注意地源熱泵機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間，因?yàn)榇蟛糠智闆r下，夏季空調(diào)負(fù)荷是低與最大設(shè)計(jì)負(fù)荷的，如果僅僅把地源熱泵機(jī)組作為夏季空調(diào)負(fù)荷不足部分的補(bǔ)充可能導(dǎo)致地埋管冬季吸熱量大于夏季排熱量的情況。在實(shí)際使用時(shí)，需要對(duì)建筑進(jìn)行全年能耗計(jì)算，選擇合適的地源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)段，使地源熱泵機(jī)組夏季運(yùn)行結(jié)束時(shí)，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(shè)定時(shí)間段運(yùn)行地源熱泵機(jī)組；2.對(duì)于只能用一臺(tái)機(jī)組的工程，可以適當(dāng)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(diào)負(fù)荷不大而室外濕球溫度較低有利于冷卻塔運(yùn)行的情況下機(jī)組完全使用冷卻塔，控制方法可以通過比較制冷機(jī)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(diào)負(fù)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(gè)不同時(shí)間段的能耗分析如表5所示：表5.合肥地區(qū)各類建筑夏季空調(diào)負(fù)荷各時(shí)間段分布情況 比較項(xiàng)目建筑類型夏季5、6月份空調(diào)負(fù)荷占總夏季空調(diào)負(fù)荷的比例（%）夏季7、