办公建筑地源热泵地下换热器设计周期确定方法研究1.docVIP

办公建筑地源热泵地下换热器设计周期确定方法研究 中国建筑设计研究院 樊燕 重庆大学 付祥钊 摘要：本文分析了办公建筑的负荷特性，指出了办公建筑地源热泵地下换热器应该按照周期设计。论述了确定换热器设计周期的方法和判断依据：负荷痕迹和出水温度。之后对某办公建筑实测分析证明，办公建筑的日运行周期中，在一定的负荷条件下，地温能及时恢复，每天的地下换热器换热性能不受前期运行影响，因此办公建筑地下换热器可按照日周期进行设计。 关键词：地下换热器 负荷特性 日周期 国内外对地源热泵的研究已经有几十年，业内公认地源热泵使用的必要条件为冷热平衡，但很少研究在满足冷热平衡的条件下，地下换热器的容量应为多少，通过软件预测未来十年、二十年的水温和地温变化并不能直接确定出换热器的容量，很多系统在第一年运行中就出现了水温过高的问题，本文主要讨论在地源热泵系统可行的条件下，换热器容量的设计周期确定方法。 地下换热器的负荷周期性 地源热泵的本质是存储热量或冷量。在夏季，系统将建筑的余热排至地下，大地存储热量；冬季将夏季存储的热量通过热泵输送到室内，热量和冷量的存储表现出其周期性，因此地下换热器负荷具有年周期性。地下换热器的负荷受空调系统运行模式的影响，在一周中因为建筑运行模式需要，若有负荷停机时间，该地下换热器具有周周期特性。建筑负荷受室外天气和室内热源的影响，一天中负荷变化的规律可循，因此地下换热器负荷具有日周期特性。天气过程的变化不仅和室外温度变化相关联，也影响了室内人员的热感受，在考虑自然通风的建筑中，可以通过间歇通风的方式降低空调系统的使用时间，使得系统有负荷停机时间，因此负荷具有天气变化过程引起的周期性。 地下换热器负荷的周期性指在每个周期内，换热器承担的负荷变化规律相同，负荷特征相同。按照上述分析地源热泵地下换热器负荷特性周期性分为四类：年周期性；天气过程周期性；日周期特性；每周要停机的建筑，具有周周期特性。负荷的周期性是地源热泵地下换热器动态负荷的基本特性。 办公建筑的负荷特性 影响地源热泵地下换热器换热性能周期负荷特征主要包括负荷总量累积特性、负荷强度大小变化和负荷持续时间。 对于办公建筑，使用特点为白天使用率高，休息时间使用率很低甚至为零，一般情况下，夜晚和放假日使用率为零。这种建筑特性决定了负荷的持续性弱，在白天处于高负荷，下午上班后恢复高负荷，下午下班到第二天上班前负荷降低为零，这个时间为地源热泵地下换热器的恢复期，不管冬季和夏季均是这种状况。因此，在运行时间内，负荷强度平稳，负荷强度变化小，地源热泵的停机时间大于运行时间，负荷的持续性弱，特别是一周内负荷持续性系数很小。因此办公建筑具有四种周期性。 办公建筑设计周期的确定方法 换热器周期确定的实质为换热器前期累积负荷对本周期的换热性能无影响，判断的条件有两个：负荷痕迹[1](负荷痕迹：受地源热泵系统运行影响后的岩土温度和大地初始温度的差值。它表征冷热负荷的不平衡性对下一周期换热器换热能力的影响程度当地温能恢复到初始状态时，下一周期换热器的出水温度仅与负荷变化有关，负荷变化决定了出水温度的变化；当地温没有恢复到初始状态，岩土周围有冷热积累，换热器的出水温度不仅受负荷变化影响还受到前期热累积的影响，在该情况下，尽管换热器的负荷变化具有周期性，但换热器的换热条件与负荷变换的周期性不对应，其换热能力不呈周期性，岩土周围的温度不断变化，换热器的出水温度呈上升或下降趋势。 前一种情况下，岩土的冷热积累对换热器的出水温度没影响。只要周期内设计负荷下出水温度满足要求，整个运行期间的出水温度均满足要求。 第二种情况下，岩土温度没有及时恢复，换热器的出水温度不仅随动态负荷变化，还受到冷热积累的影响，随着运行天数的增加，出水温度持续上升或下降，这种情况下，尽管动态负荷具有周期性，但由于负荷痕迹的存在，每个周期地下换热器的换热条件是不一样的，图是该情况的负荷痕迹及出水温度变化图。图中可知，由于负荷痕迹的影响，使得第一负荷周期和第二负荷周期出水温度变化不一致，第三周期负荷以后，负荷痕迹稳定，出水温度变化规律一致。要保证下一个周期末的出水温度是否满足要求，就不能仅以该周期负荷的结束为止，应延长计算时间计算负荷痕迹，直到下一个周期开始时的负荷痕迹满足限值要求为止。因此岩土的恢复情况对设计有决定性影响。只有岩土的负荷痕迹恢复到限值以内，才能确认其对下一个周期换热效果的影响很小，基本可以忽略。 在负荷和孔数已确定的前提下，调整负荷痕迹的设计方法主要有两种，一种是根据层换热理论模型，调整孔深；第二种是通过分区运行调整恢复时间的长短。两种方法中，宜优先考虑调整孔深，当孔深超出合理范围后，转而通过分区运行调整恢复时间，以使负荷痕迹在限值以内。 图负荷痕迹及出水温度变化图 负荷停机时间直接影响设计周期。负荷