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一种新型复合地源热泵系统年度经济性分析 湖南大学李季勋 陈友明摘 要：我国南方地区商业、办公建筑由于冷热负荷差值较大，导致其传统地源热泵系统运行效率较低。本文对长沙地区湘江一栋办公大楼，选用新型地源热泵系统与传统地源热泵系统进行能耗编程并进行对比，结果3344 kW·h，占系统年度运行费，且系统的运行效率在采用流入机组水温作为控制参数时达到最高。 关键词： 能源与环境问题是当代世界各国面临的重大社会问题。在中国，煤作为主要能源，长期以来在生产、消费中占据着绝对主导地位。煤是各种能源中污染环境最严重的能源，只有减少煤的使用，问题才可能得到解决。中央空调将逐步受到制约。而从节省能源降低运行费用、减少CO2排放量来看，地源热泵(Ground Source Heat Pump system简称GSHPs)技术是一个很好的选择。 复合热泵系统 我国南方以夏季空调为主的地区建筑，尤其是商业和办公建筑，其负荷特征如下表所示[]： 表1部分地区办公楼和商场建筑冷热负荷比 地区 冷负荷指标（w/m2） 热负荷指标（w/m2） 冷热负荷比 办公 商场 办公 商场 办公 商场 上海 186~232 291~326 116~163 116~151 1.49 2.31 广州 163~209 267~290 93~116 70~93 1.78 3.42 从表1可看出，我国南方的商业和办公建筑夏季冷负荷和冬季热负荷比值较大所以会导致地下热量排放和吸收的不平衡率逐年增大采用传统的GSHP势必会引起运行效率低的问题。为解决这个问题，国内外的专家和学者提出了复合地源热泵（Hybrid Ground Source Heat Pump s,简称HyGSHP）的新型系统形式[4]。 HyGSHP是一种带辅助散热的新型热泵系统。因为可以通过辅助散热系统将多余的热量排至大气，这可以避免由于冷热负荷的差值较大，导致土壤温度升高，机组运行效率降低的情况出现。国内近几十年来HyGSHPs的研究和应用取得飞快的发展。但是在选择辅助散热系统设备时，一般主要选择使用起来较方便的冷却塔系统。且其主要有以下几个优点： 而水源辅助散热系统水比热较大，所以较小； 冷却塔冷却产生飘水、噪音等问题，且在一定程度上破坏了商业大夏立面的建筑外观； 商业建筑一般位于市中心，如果排放的热量集中于屋顶的冷却塔加剧城市的热岛效应，且需要占用屋顶场地。而水源的排放热量一般随着河流排至，； ，水源的辅助冷却塔而言以下几： 由于江水和池塘的辅助散热水源一般采用的江水或者池塘的水，因此水质较差，引用前需净化或过滤处理。 其系统形式如图： 图1 水源辅助冷却HyGSHPs系统简图 HyGSHPs进行了研究。在长沙湘江河畔建立了一栋办公楼的建筑模型，并用软件对其进行年度的逐时负荷计算。以HyGSHPs和传统GSHPs作为此建筑模型中央空调系统，并通过编程计算对此空调系统的年度能耗和费用进行分析。 2 建筑模型的建立 本文的建筑模型选址在我国典型的南方冬暖夏热的城市——长沙。本建筑在长沙市内湘江河畔，共五层，长30m，宽15m，建筑面积2250m2，空调面积1900m2。其轴测图如下图所示： 图2 建筑模型立面图 图3 建筑模型年度空调时间逐时负荷采用能耗模拟软件进行建筑的逐时负荷模拟，且考虑到办公建筑在春秋季以及下班时，空调系统不运行，则其空调季节的负荷结果如图所示比为：1.89﹕13 HyGSHPs模型的建立 3.1 地埋管换热器模型的建立 本研究采用竖直、单U型的埋管换热器结构，钻孔深度90m。HyGSHPs和传统GSHPs时，分别根据最大热负荷kW和最大负荷kW ，按40W/m的换热器换热率计算，布置个钻孔，钻孔采用3×63×9的排布方式。聚乙烯(PE3408)管其导热系数为0.42 W/(m℃) 钻孔内的传热分析 钻孔内的传热过程是从钻孔壁到流体之间的换热过程。本文主要考虑径向的一维传热，记钻孔与水管之间的填充材料的导热系数为，钻孔半径为，水管外半径为，内半径为，水管的导热系数为。U型管的当量直径，其中n是钻孔内埋管的根数。则流体的平均温度公式为： (1) 式中：流体的平均温度，℃；钻孔壁的温度，℃；热流密度，W/m； 钻孔外的传热分析 由于地埋管的钻孔半径相对于土壤大地来说很小，几乎可以忽略不计，因此可以把柱状钻孔壁看成是线状，则钻孔壁和周围土壤之间的传热就是一条无限长的线源换热模型。利用格林函数法和叠加原理的思路，得到钻孔外的传热公式[]： (2) 式中：钻孔壁的温度，℃； 土壤原始温度，℃； 这样，通过钻孔内外的传热过程，可以得到流体从地埋管流出的平均流体温度：