合肥地区典型建筑能耗模拟及其混合式地源热泵运行方法.docx
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合肥地区典型建筑能耗模拟及其混合式地源热泵运行方法
合肥地区典型建筑能耗模拟及其混合式地源热泵运行方法研究
张勇陈正顺
合肥工业大学建筑设计研究院安徽合肥230009
摘要：
指出地源热泵运行时，其地埋管换热器全年吸/排热平衡的重要性，混合式地源热泵在工程应用时，主要作用之一是维持地埋管换热器的全年“热平衡”。
通过对合肥地区几类常见的典型建筑进行全年能耗模拟，得出不同建筑冬、夏季地埋管换热器吸/排热的比例，结合某具体混合式地源热泵实验，分析出基于全年地埋管换热器“热平衡”的不同类型建筑应用混合式地源热泵的控制方法和控制参数。
关键词：
混合式地源热泵；热平衡；控制方法；能耗模拟
TypicalconstructionenergyconsumptionsimulationandHGSHPoperationmethodstudyinHeFeiarea
ZHANGYong，CHENZhengShun
.HFUTInstituteofArchitecturalDesignAnHuiHeFei230009
Abstract:
PointedouttheimportanceofthebalancedoftheGSHP’sgroundheatexchangerheatabsorptionandheat-removalinawholeyear,HGSHPinprojectapplication,oneofleadingrolesisthemaintenanceofgroundheatexchangerannual“thermalequilibrium”.CarriesontheannualenergyconsumptionsimulationtotheHeFeiareaseveralkindofcommonmodelconstructions,obtainsthedifferentconstructionwinter,theproportionofgroundheatexchangerheatabsorptionandheat-removalinawholeyear,withaconcreteHGSHPexperiment,analyzesbasedontheannualgroundheatexchanger“thethermalequilibrium”differenttypeconstructionapplicationHGSHP’scontrolmethodandcontrolledvariable.
Keywords:
HGSHP;thermalequilibrium;controlmethod;energyconsumptionsimulation
0.引言
地源热泵被“认为”是一种利用地能的空调形式，但在工程应用中有很多失败的案例，很多是因为地埋管周围的岩土温度逐年升高（降低），导致地埋管换热系统的瘫痪，主要原因是由于地源热泵在地下水流动缓慢地区使用时实质上是一种转移冬、夏季空调负荷的“蓄能”空调。
近年来，在夏季空调冷负荷大于冬季空调热负荷的地区大量的采用了地源热泵地埋管加冷却塔辅助散热的工程，这种地源热泵形式称之为混合式地源热泵系统（HGSHPs），该形式的地源热泵的出现主要有以下两点目地：
1.缓解传统地源热泵地埋管的“热堆积”现象，降低地源热泵空调系统的初投资和地埋管的占地面积[1]；2.平衡地埋管全年热平衡，维持地源热泵长期运行的稳定与效率。
一般混合式地源热泵的研究重点是基于地埋管全年热平衡的控制方法与控制参数的研究[2]，但是，即使在同一地区同等气候条件下，不同类型的建筑有不同功能与不同的空调运行方式，也就是针对不同的建筑，混合式地源热泵也应该有具体的控制方法与控制参数。
1.混合式地源热泵的控制策略分析
混合式地源热泵冷却塔与地埋管具体的连接形式与冷却塔的选型已经比较成熟，详见文献[3]。
本文重点讨论混合式地源热泵控制方法与控制参数，具体的控制原则有以下三点：
1.充分利用室外环境气候，提高整个高空调体统的运行效率；2.平衡地源热泵地埋管周围岩土的热平衡提高整个地源热泵系统运行周期内的运行效率；3.改善地源热泵地埋管的换热效率，通过减少或停止向地埋管周围土壤排热以缓解地埋管周围的“热堆积”现象，即提供时间让地埋管周围换热区域的岩土的热量向周围扩散或被地下水带走。
根据以上原则，以充分利用室外环境气候，提高空调系统运行效率为目的，可以根据夏季进入机组冷凝器的冷却水的温度与室外环境大气湿球温度温差来控制冷却塔与地埋管的运行方式，充分利用室外环境给冷却水降温以提高制冷机组效率；以平衡地埋管周围岩土的冬、夏季的热平衡为目的，可以设定地埋管出口水温或者设定地源热泵机组运行时间段来控制冷却塔与地埋管的运行方式；以改善地埋管周围岩土换热效果减少热堆积为目的，可以设定地埋管运行时间段或者根据地埋管出口的水温来控制地埋管与冷却塔的运行方式。
综合以上分析，混合式地源热泵可以由以下方法进行控制：
1.控制地埋管出口水温或夏季地源热泵机组冷凝器入口水温；2.以地埋管出口水温或夏季制冷机组冷凝器入口水温与室外环境大气湿球温度差来控制，以充分利用室外环境；3控制冷却塔运行时间段。
这三种控制方法中，方法1的控制比较明确，可以控制地埋管冬、夏季的换热平衡；方法2的控制可以充分利用室外环境温度，对地源热泵机组效率的提高明显，但是这种方法受环境影响大，可控制性差，一般不易控制地源热泵主机夏季向地埋管周围岩土的排热量，也就是无法很好的控制地埋管冬、夏季换热的平衡；方法3的控制性好，但是需要配置较大的冷却塔，在中小型工程和夏季冷负荷受室外环境温度影响不大的以人员负荷为主的场合不适用。
方法1的控制策略从可控制性和平衡冬、夏季地埋管换热平衡上看是比较好的。
2.合肥地区常见各类型建筑全年能耗模拟
本文按照现颁布的建筑节能标准规定，分别对办公、宾馆，住宅，商场等不同类型的常见建筑进行全年空调能耗模拟，以办公建筑为例：
办公建筑按照外墙为200mm混凝土墙+聚苯内保温，导热系数为0.885w/m·k，窗墙比：
0.4～0.5.，导热系数≤2.8，遮阳系数≤0.4/0.5，人员密度0.2人/㎡，人均新风为30m3/h,照明负荷12w/㎡,电器、负荷为18w/㎡计算出全年单位空调面积空调负荷如图1所示。
图1办公建筑单位空调面积全年空调能耗
其余建筑模拟时设定以下参数（所有建筑均是正南朝向）：
1.商场无窗，典型商场玻璃门，人员密度0.45人/㎡，人均新风为20m3/h,外墙为200mm混凝土墙+聚苯内保温，导热系数为0.885w/m·k。
照明负荷20w/㎡,电器、电梯、插座等负荷为30w/㎡；2.住宅建筑：
建筑面积120㎡，体形系数≤3.0，入住5人，外墙为200mm混凝土墙+聚苯内保温，导热系数为0.885w/m*k。
窗墙比≤0.4，导热系数≤3.0，遮阳系数≤0.5/0.6；3.宾馆建筑（按三星级标准）按照外墙为200mm混凝土墙+聚苯内保温，导热系数为0.885w/m·k。
窗墙比：
0.4～0.5，导热系数≤2.8，遮阳系数≤0.4/0.5，人员密度0.1人/㎡，人均新风为30m3/h,照明负荷10w/㎡,电器负荷为15w/㎡。
模拟结果总结如表1所示。
本文按照地源热泵机组夏季制冷效率取4.5，冬季制热效率取4.2[4]，由公式：
；
，分别计算不同类型建筑的地源热泵垂直地埋管的冬、夏的排/吸热比例，结果见表2。
从模拟的结果可以看出，合肥地区常见类型建筑的冬、夏季空调负荷均为夏季冷负荷大于冬季热负荷，其中商场建筑的冬、夏季空调符合相差最大，宾馆建筑冬、夏季空调负荷基本相同。
表1.各类建筑全年空调负荷情况
比较项目
建筑类型
夏季最大空调负荷单位：
w/㎡
夏季空调总负荷单位：
kw*H/㎡
冬季最大空调负荷单位：
w/㎡
冬季空调总负荷单位：
kw*H/㎡
住宅建筑
132.3
22.5
96.5
11.5
商场建筑
209.9
185.6
130.1
40.8
办公建筑
154.4
126.3
123.9
69.4
宾馆建筑
126.6
143.2
90.4
127.9
表2.各类常见建筑冬、夏季空调负荷与地埋管换热器吸/排热的比较
比较项目
建筑类型
夏季空调总负荷与冬季空调总负荷之比
夏季地埋管总排热量与冬季地埋管总吸热量之比
住宅建筑
1.96
3.14
商场建筑
4.55
7.30
办公建筑
1.82
2.92
宾馆建筑
1.12
1.80
3.基于地埋管全年热平衡的混合式地源热泵运行的实验内容
3.1实验台介绍
实验主机为水-水型地源热泵机组，地埋管长度为200米（两根60米深，一根80米深垂直单U形管，并联连接），规格为DN25，PE100聚乙烯管单U形管。
实验台装置原理图见图2，主要设备及测量仪器见表3。
表3实验台主要设备仪器材料说明表
仪器名称
型号
主要性能参数
制冷主机
J043WLD-HLA/AS
额定制冷量：
10.5KW，COP值：
4；额定制热量：
13.5KW，COP值：
4.3
电磁流量计
PC-LDY-25-11-12
精确度0.5%，量程为0.5～3m3/h，电极材料为316L，电源AC220V
铂电阻测温探头
WZP-020P
分度号是Pt100；测温范围+-50℃；四线制；屏蔽导线采用的是武汉市海运线缆厂生产的聚乙烯绝缘屏蔽电线，型号RVVP，执行标准JB8734.5-1998，额定电压：
220/220V。
多回路巡检仪
BSD-MD64
使用环境：
0-50℃，湿度〈85%，电压220VAC，测量精度：
0.5%。
通道之间误差〈0.5%，采样时间为3分钟一次
冷却塔
定做
圆形逆流闭式冷却塔，流量3T/h
源侧水泵
ISG25-125
流量：
2.5m3/h,扬程：
15m,电功率：
0.75kw
负荷侧水泵
ISG25-110
流量：
2.5m3/h,扬程：
20m,电功率：
0.75kw
实验方法是：
通过温度控制箱设定地源热泵机组冷凝器入口的水温，控制安装在冷却塔入口管道处的电动三通阀的开度，同时记录冷却塔水流量，地埋管水流量，制冷机组冷凝器、冷却塔、地埋管进出口水温，记录数据由多回路巡检仪器每三分钟记录一次，可以根据水流量与水流量温差计算源侧冷却塔与地埋管所排放的热量。
主机负荷侧同样可以根据冷冻水流量与冷冻水温差计算地源热泵主机的制冷量。
实验内容主要是分别进行设定地源热泵主机源侧入口水温分别为28℃、30℃、32℃地埋管与冷却塔的并联实验，记录地埋管与冷却塔的排热量与机组和整个空调系统的能效比。
图2.实验台装置原理图
3.2实验误差分析
测量即获得参数量值的过程，表征被测对象物质属性客观存在的量值称为真值。
理论上讲任何被测量值都不可能等于真值，而只可能逼近真值，所以分析测量精度与误差是十分必要的。
在科学研究中，只有当测量结果的误差己经知道或能够指出误差的可能范围，此时实验所提供的数据才有意义。
温度测量误差：
本实验中以热电阻为测温元件，在不考虑传热误差情况下，其误差由以下几方面组成：
分度误差△1：
标准化的热电阻分度表是由统计分析产生的，因此具体所采用的热电阻会因为材料制作工艺而有所不同。
这就形成了热电阻的分度误差。
由数据采集器采集的温度值经过恒定湿热试验箱修正后，△1=0～0.47℃；线路电阻变化引起的温差△2：
在热电阻使用前，已对每个有固定长导线的热电阻进行了标定，设恒定湿热试验箱温度偏差a1，人员读数偏差a2，以及万用表精度误差a3。
一般a1、a2、a3，分别取0.05℃、0.01℃、0℃。
所以:
℃；自热误差△3：
由于测量过程中的电流经过热电阻时产生温升而引起的附加误差，它与电流大小和介质有关，一般规定电流不超过6mA，其自热误差不超过0.1℃，所以△3=0.1℃从而，整个测温系统的误差为：
℃实验期间测量的最低温度为18.5℃（机组源侧），取最大误差0.483℃来分析：
。
流量测量误差：
本系统选用电磁流量计测量流量，其基本参数见表1。
流量测量的最大相对误差为：
系统在最小流量为2.21m3/h，流量测量的最大相对误差为：
。
地下换热量的间接测量误差：
地埋管换热器和冷却塔的换热量由下式确定：
其中Cp为水的比热容，单位J/kg·℃；m为水的质量流量，单位kg/h；△T为水的温差,单位℃；方差传递公式1：
（1）
依正态分布写成误差限形式，化简后公式2：
（2）
两边同时除以Q2得公式3：
（3）
由于地下埋管进出水温度测点设置在采集器的同一采集通道上，每一次温度采集的误差，在发生的方向和大小上是相同的，所以二者的差值不受温度测量误差的影响。
由此，上式可简化成公式4：
（4）
说明本试验中地下埋管换热量的间接测量误差等于流量的直接测量误差值，相对误差在0.68%以内。
3.3实验结果
本实验日期为2008年8月7号至2008年8月9号，每天早上9点开机，连续运行8小时至下午5点关机。
实验设定地埋管出口水温分别为28℃，30℃，32℃，分别每天连续运行8小时，记录实验结果如表3所示。
表3.混合式地源热泵运行实验结果
设定参数
实验分项
定地埋管出口水温度28℃
定地埋管出口水温度30℃
定地埋管出口水温度32℃
冷却塔排热量（百分比）
75%
43%
27%
地埋管排热量（百分比）
25%
57%
73%
制冷机组能效比w/w
3.74
3.52
3.31
空调系统能效比w/w
2.52
2.45
2.41
从实验结果上看，地埋管出口水温设定的越低地源热泵机组与空调系统能效比越高，同时，地埋管出口水温设定的越低，冷却塔排热所占整个地源热泵机组夏季制冷时排热总量的比例越大，但是地源热泵要考虑将夏季排入大地的热量供冬季使用，也就是要保持地埋管周围换热区域岩土有一定的热量储备以供冬季使用。
从地埋管吸/排热平衡方面即从地源热泵系统长期的能效比和安全性方面看，一般地埋管吸热/排热相差在20%以内，则地埋管吸/排热基本平衡[5]。
4.合肥地区不同类型建筑的混合式地源热泵控制方法
根据地埋管全年热平衡的原则，结合上文常见不同类型建筑的地埋管吸/排热比例的模拟结果和本次实验结果，将不同类型建筑的混合式地源热泵控制参数总结如表4所示。
表4.不同类型建筑混合式地源热泵控制参数
建筑类型
设定参数
住宅建筑
办公建筑
宾馆建筑
商场建筑
设定地埋管出口水温
单位：
℃
29
29
30
<28
以上建筑中只有宾馆建筑的地埋管排/吸热相差最小可以设定地埋管出口水温为30℃，住宅、办公建筑只能设定地埋管出口水温为29℃，而商场建筑由于其地埋管排热/吸热比最大为1：
7.30，设定地埋管出口水温度要在28℃以下。
合肥地区夏季空调设计的室外环境湿球温度是ts=28.2℃，一般开式冷却塔出口水温为t=ts+3~5℃,而混合式地源热泵一般用闭式冷却塔，其出口水温比开式冷却塔高出1~2℃,冷却塔的出口水温一般比环境湿球温度高5℃。
一般混合式地源热泵冷却塔的容量是根据部分夏季最大空调设计负荷确定[1]，冷却塔只是对部分机组冷却水降温，也就是进入地埋管的冷却水温度高于冷却塔能够将冷却水将温的温度下限。
在实际工程应用中，如果是设定地埋管出口水温低于28℃，则要配置较大冷却塔，并且需要在夏季空调负荷不大的，室外环境湿球温度不高的情况下运行。
所以，对于像商场这类地埋管排热量远大于吸热量的建筑，可以采用以下两点控制方法：
1.对于大型工程，可以采用多台制冷机组运行，根据冬季负荷选者地源热泵机组容量，夏季负荷可以由单冷制冷机组与地源热泵机组共同承担，但是要注意地源热泵机组运行的时间，因为大部分情况下，夏季空调负荷是低与最大设计负荷的，如果仅仅把地源热泵机组作为夏季空调负荷不足部分的补充可能导致地埋管冬季吸热量大于夏季排热量的情况。
在实际使用时，需要对建筑进行全年能耗计算，选择合适的地源热泵机组运行时段，使地源热泵机组夏季运行结束时，其地埋管总排热量基本与冬季地埋管总的吸热量平衡，控制方法可以采用控制地埋管出水温度或设定时间段运行地源热泵机组；
2.对于只能用一台机组的工程，可以适当增大冷却塔容量，在地源热泵可以完全使用冷却塔的情况下完全使用冷却塔，比如供冷季节的初期与末期，空调负荷不大而室外湿球温度较低有利于冷却塔运行的情况下机组完全使用冷却塔，控制方法可以通过比较制冷机组冷冻水回水温度来控制冷却塔的启停，通过冷冻水回水温度来判断建筑空调负荷情况从而决定是否全部使用冷却塔。
合肥地区夏季制冷季节各个不同时间段的能耗分析如表5所示：
表5.合肥地区各类建筑夏季空调负荷各时间段分布情况
比较项目
建筑类型
夏季5、6月份空调负荷占总夏季空调负荷的比例（%）
夏季7、8月份空调负荷占总夏季空调负荷的比例（%）
夏季9月份空调负荷占总夏季空调负荷的比例（%）
住宅建筑
15
68
17
商场建筑
28
60
23
办公建筑
23
60
17
宾馆建筑
18
67
15
如果将夏季制冷的7、8月份作为夏季供冷的高峰期，可以看出以上不同类型建筑的夏季空调能耗主要集中在7、8月份，而供冷季节的初期或末期一方面空调能耗比较小，另一方面此时的室外环境非常适合冷却塔降温，因此可以完全使用冷却塔供冷。
5.结论
在土壤温度自身恢复能力不强的地区，地源热泵只能被视为一种转移冬、夏季空调负荷的“蓄能”空调，所以在应用中要确保地埋管冬、夏季“热平衡”。
混合式地源热泵在工程应用中的重要意义就是确保地源热泵系统地埋管全年热平衡，从而保证整个地源热泵系统长期稳定和全年的空调效率。
但是，不同地区有不同的气候参数，即使在同一地区，不同的建筑也有自身的空调负荷特点，在应用混合式地源热泵时，首先要对其服务对象的全年空调负荷进行计算，针对不同的建筑选者合理的控制方法与控制参数。
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76-80
第一作者简介：
张勇，男，汉族，本科，高级工程师。
第二作者简介：
陈正顺，男，汉族，硕士。
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