197 辦公建筑地源熱泵地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)周期確定方法研究

1、1辦公建筑地源熱泵地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)周期確定方法研究中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院樊燕重慶大學(xué)付祥釗摘要：本文分析了辦公建筑的負(fù)荷特性，指出了辦公建筑地源熱泵地下?lián)Q熱器應(yīng)該按照周期設(shè)計(jì)。論述了確定換熱器設(shè)計(jì)周期的方法和判斷依據(jù)：負(fù)荷痕跡和出水溫度。之后對(duì)某辦公建筑實(shí)測(cè)分析證明，辦公建筑的日運(yùn)行周期中，在一定的負(fù)荷條件下，地溫能及時(shí)恢復(fù)，每天的地下?lián)Q熱器換熱性能不受前期運(yùn)行影響，因此辦公建筑地下?lián)Q熱器可按照日周期進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：地下?lián)Q熱器負(fù)荷特性日周期

2、國(guó)內(nèi)外對(duì)地源熱泵的研究已經(jīng)有幾十年，業(yè)內(nèi)公認(rèn)地源熱泵使用的必要條件為冷熱平衡，但很少研究在滿足冷熱平衡的條件下，地下?lián)Q熱器的容量應(yīng)為多少，通過(guò)軟件預(yù)測(cè)未來(lái)十年、二十年的水溫和地溫變化并不能直接確定出換熱器的容量，很多系統(tǒng)在第一年運(yùn)行中就出現(xiàn)了水溫過(guò)高的問(wèn)題，本文主要討論在地源熱泵系統(tǒng)可行的條件下，換熱器容量的設(shè)計(jì)周期確定方法。1.1.地下?lián)Q熱器的負(fù)荷周期性地下?lián)Q熱器的負(fù)荷周期性地源熱泵的本質(zhì)是存儲(chǔ)熱量或冷量。在夏季，系統(tǒng)將建筑的余熱排至

3、地下，大地存儲(chǔ)熱量；冬季將夏季存儲(chǔ)的熱量通過(guò)熱泵輸送到室內(nèi)，熱量和冷量的存儲(chǔ)表現(xiàn)出其周期性，因此地下?lián)Q熱器負(fù)荷具有年周期性。地下?lián)Q熱器的負(fù)荷受空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的影響，在一周中因?yàn)榻ㄖ\(yùn)行模式需要，若有負(fù)荷停機(jī)時(shí)間，該地下?lián)Q熱器具有周周期特性。建筑負(fù)荷受室外天氣和室內(nèi)熱源的影響，一天中負(fù)荷變化的規(guī)律可循，因此地下?lián)Q熱器負(fù)荷具有日周期特性。天氣過(guò)程的變化不僅和室外溫度變化相關(guān)聯(lián)，也影響了室內(nèi)人員的熱感受，在考慮自然通風(fēng)的建筑中，可以通過(guò)間歇

4、通風(fēng)的方式降低空調(diào)系統(tǒng)的使用時(shí)間，使得系統(tǒng)有負(fù)荷停機(jī)時(shí)間，因此負(fù)荷具有天氣變化過(guò)程引起的周期性。地下?lián)Q熱器負(fù)荷的周期性指在每個(gè)周期內(nèi)，換熱器承擔(dān)的負(fù)荷變化規(guī)律相同，負(fù)荷特征相同。按照上述分析地源熱泵地下?lián)Q熱器負(fù)荷特性周期性分為四類：年周期性；天氣過(guò)程周期性；日周期特性；每周要停機(jī)的建筑，具有周周期特性。負(fù)荷的周期性是地源熱泵地下?lián)Q熱器動(dòng)態(tài)負(fù)荷的基本特性。2.2.辦公建筑的負(fù)荷特性辦公建筑的負(fù)荷特性影響地源熱泵地下?lián)Q熱器換熱性能周期負(fù)荷特

5、征主要包括負(fù)荷總量累積特性、負(fù)荷強(qiáng)度大小變化和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間。對(duì)于辦公建筑，使用特點(diǎn)為白天使用率高，休息時(shí)間使用率很低甚至為零，一般情況下，夜晚和放假日使用率為零。這種建筑特性決定了負(fù)荷的持續(xù)性弱，在白天處于高負(fù)荷，下午上班后恢復(fù)高負(fù)荷，下午下班到第二天上班前負(fù)荷降低為零，這個(gè)時(shí)間為地源熱泵地下?lián)Q熱器的恢復(fù)期，不管冬季和夏季均是這種狀況。因此，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，負(fù)荷強(qiáng)度平穩(wěn)，負(fù)荷強(qiáng)度變化小，地源熱泵的停機(jī)時(shí)間大于運(yùn)行時(shí)間，負(fù)荷的持續(xù)性弱，特別

6、是一周內(nèi)負(fù)荷持續(xù)性系數(shù)很小。因此辦公建筑具有四種周期性。3.3.辦公建筑設(shè)計(jì)周期的確定方法辦公建筑設(shè)計(jì)周期的確定方法換熱器周期確定的實(shí)質(zhì)為換熱器前期累積負(fù)荷對(duì)本周期的換熱性能無(wú)影響，判斷的條件有兩個(gè)：負(fù)荷痕跡[1](負(fù)荷痕跡：受地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行影響后的巖土溫度和大地初始溫度的差值。它表征冷熱負(fù)荷的不平衡性對(duì)下一周期換熱器換熱能力的影響程度。)和換熱器出水溫度。負(fù)荷痕跡和出水溫度有如下關(guān)系：當(dāng)?shù)販啬芑謴?fù)到初始狀態(tài)時(shí)，下一周期換熱器的出水溫

7、度僅與負(fù)荷變化有關(guān)，負(fù)荷變化決定了出水溫度的變化；當(dāng)?shù)販貨](méi)有恢復(fù)到初始狀態(tài)，巖土周圍有冷熱積累，換熱器的出水溫度不僅受負(fù)荷變化影響還受到前期熱累積的影響，在該情況下，盡管換熱器的負(fù)荷變化具有周期性，但換熱器的換熱條件與負(fù)荷變換的周期性不對(duì)應(yīng)，其換熱能力不呈周期性，巖土周圍的溫度不斷變化，換熱器的出水溫度呈上升或下降趨勢(shì)。前一種情況下，巖土的冷熱積累對(duì)換熱器的出水溫度沒(méi)影響。只要周期內(nèi)設(shè)計(jì)負(fù)荷下出水溫度滿31921232527293101

8、0020030040050060082092010201120122013201420距起始運(yùn)行時(shí)間min溫度℃50m30m20m10m圖4.1負(fù)荷1.885KW條件下，U型換熱器地溫及回水溫度變化情況171921232527293107014021028035042049057071084998911291368距起始運(yùn)行時(shí)間min溫度℃50m30m20m10m圖4.2負(fù)荷2.133KW條件下，U型換熱器地溫及回水溫度變化情況2124

9、273033360140280420560700840980112012601400距起始運(yùn)行時(shí)間min溫度℃50m30m20m10m圖4.3負(fù)荷2.798KW條件下，U型換熱器地溫及回水溫度變化情況圖中，0~540min時(shí)刻為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻，之后為地溫恢復(fù)期。從圖中可以看出：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前3小時(shí)，回水溫度上升比較快，之后上升比較緩慢。三個(gè)工況下變化規(guī)律是一致的。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)回水溫度先快速上升然后達(dá)到相對(duì)溫度狀態(tài)，負(fù)荷越小達(dá)到這種穩(wěn)