（环境工程专业论文）土壤源热泵系统地埋管换热器优化设计.pdf

摘要 随着经济的发展以及人们环保意识的提高，建筑领域中降低空调采暖系统能耗和污 染的研究越来越受到重视，地源热泵系统作为一种节能环保的空调系统已受到人们关 注。 本文对地源热泵系统的负荷理论计算和地埋管换热器的设计进行了比较详细的分 析与讨论。 首先，准确的建筑物负荷计算是地埋管换热器设计计算的基础，文中介绍了建筑物 负荷计算的方法和应用计算软件。并应用地热之星软件对实际工程的逐时负荷进行累加 处理，得到地埋管换热器的累计负荷。 其次，通过比较地埋管换热器的布置形式，分析了影响地埋管换热器传热的各种因 素。 第三，建立了基于价值工程分析方法的地埋管换热器的技术经济分析模型，从固定 钻孔深度和钻孔个数等方面分析计算了单u 2 5 管、单u 3 2 管、双u 2 5 管和双u 3 2 管四 种地埋管方案的价值指数，并得出结论o 单u 型式埋管随钻孔费用的增加其价值系数 变小，双u 型式埋管反之；钻孔费用和水泵运行费用是影响价值系数的重要因素；双u 管通常适用于钻孔费用高、埋管面积紧张的场合；埋管型式的价值系数同钻孔设计深度 有较大的联系，双u 2 5 型式埋管具有较高的价值系数，是最佳方案：单u 2 5 型式埋管 的价值系数最低，是最劣方案。 文中还以实际工程从计算到施工图进行了讨论和分析，说明双u 2 5 管在实际工程 中应用的可行性。 关键词：土源热泵、地埋管换热器、优化设计、价值工程、实际工程 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s eo fp e o p l e sc o n s c i o u s n e s so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , m o l ea n dm o l ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt or e d u c i n gt h ee n e r g y c o l l s i l l n p t i o l la n dp o l l u t i o no fh e a t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n gi nb u i l d i n g s t h ec r r o u n d - s o u r e e h e a tp u m ps y s t e m s ，嬲姐e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tf r i e n d l yt e c h n o l o g y , g e t m o l ea n dm o l ea t t e n t i o no f p e o p l e t h et h e s i sg i v e sd e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no nt h er e a ls t y l ed e s i g no fg e o t h e r m a l h e a te x c h a n g e r sb yt h e o r e t i c a ll o a dc o m p u t a t i o n f i r s t , t h ea c c u r a t eb u i l d i n gl o a dc o n s u m p t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft h eg h e d e s i g n i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e sm e t h o d so ft h eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o na n dt h es o t t w a r et h a tu s i n g c o m p u t e rt e c h n o l o g yt os i m u l a t e t og e tt h el o a dt h a tp u ti n t og 髓，w ee m u l a t e $ 1 1 1 1 1t h e h o u r l yb u i l d i n gl o a db yt h es o f t w a r e “g e o s t a r s e c o n d , t h i st h e s i sa n a l y s e st h ed i f f e r e n tk i n d so ff a c t o r sw h i c ha f f e c th 翻蛀n go f g e o t h e r m a lh e a te x c h l t i l g e l sb y m p ；啦t h e i rs t y l e so f a r r a n g e m e n t t h i r d , a ne c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i sm o d e lo ft h eg e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r si s b u i l tu pb a s e do nt h ev a l u ee n g i n e e r i n g i n d e p e n d e n t l y0 nt w oe o n d i t i o mo ft h ei d e a ld e s i g n , t h ef a x e db o r e h o l eq u a n t i f i e sa n dt h et h e s i sh a sc o m p u t e dv a l u et o e 伍e i e n t so ft h ef o u r b u r i e dp i p es t y l e s ，a n dp o i n t e do u tt h a tt h ev a l u ee o e t t i e i e n t so ft h e s i n g l eu - t u b ei s d e c r e a s i n gw i t ht h ea r m i n g c o s ti n c r e a s i n g ，a n do nt h ec o n t r a r yt ot h ed o u b l eu - t u b e c o n f i g u r a t i o n s d r i l l i n gc o s ta n dc i r c u l a t i n gc o s ta 把t w oi m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e v a l u et o e m e i e n t s u s u a l l yt h ed o u b l eu - t u b ei ss u i t a b l ef o rt h o s ed i s t r i c t sw h e r et h ed r i l l i n g c o s ti sh i g h , 0 1 i n s t a l l a t i o ng r o u n di sl i m i t e d t h ev a l u ec o e f f i c i e n t so f u - t u b ep i p es t y l e sa 他 l i n k e dw i t ht h eb o r ed e s i g nd e p t h h a s t i l y 嬲仪n 枷b o r e h o l ed e p t hi n f l u e n c e st h e e c o n o m i e sa n dt e c h n o l o g y o w i n gt os m a l l e rb o r e h o l ed e s i g nl e n g t ha n dl o w e rc i r c u l a t i n g c o s t , d o u b l ed e 2 5 ，u - t u b ep i p es t y l eh a st h eh i g h e s tv a l u ee o e t f i e i e n ：t a n di st h eb e s ts c h e m e ； o nt h ec o n t r a s t , s i n g l ed e 2 5u b e n dp i p es t y l eh a st h el o w e s tv a l u ee o e t f i e i e n t , a n di st h e w o r s ts c h e m e t h ee s s a ya l s od i s c u s s e sa n da n a l y z e st h ep e r i o df r o mc a l c u l a t i o nt oc o n s t r u c t i o n d r a w i n go fp r a c t i c a lp r o j e e l s ，b yw h i c hi l l u s t r a t e st h ef e a s i b l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no ft h ed u e u 2 5p i p ei na c t u a le n g i n e e r i n g s k 呵w o r d s ：g e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r , v a l u ep r o j e c t , a c t u a le n g i n e e r i n g s 长安大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 能源与环境是当今世界面临的二大问题。能源结构和利用效率对可持续发展至关重 要。我国经济的发展，不能以消耗大量能源和资源或污染环境为代价。暖通空调行业， 为了适应可持续发展的要求，缓解日益严峻的环境问题，在满足人们健康、舒适的前提 下，优化能源结构，提高能源利用效率，开发利用可再生能源，减少常规能源消耗，显 得尤为迫切。我国对于利用可再生能源的暖通空调系统的研究近年来得到了明显增加。 热泵空调系统能够节约能源、减少大气污染和c 0 2 气体排放，尤其是地源热泵空调系 统，在理论和技术上都取得了不少成果，受到了本行业的关注。 1 2 热泵简介 热泵是一种通过做功使热量从低温环境流向高温环境的的装置。利用热泵，可 以把不能直接利用的低品位热能( 如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热 等) 转换为可以利用的高品位热能。热泵按所采用的低品位热源分为：空气源热泵和地 源热泵两大类。 地源热泵系统又被称为地热热泵系统、地能系统、地源系统等， s h r a e 统一标准 术语称为地源热泵系统。地源热泵又可进一步分为地表水热泵、地下水热泵和地耦合热 泵。考虑实际应用中人们的称呼习惯，同时为了便于理解，我国颁布的l ：地源热泵系统 工程技术规范( g b5 0 3 6 6 - - - 2 0 0 5 ) 中把地耦合热泵系统或以前国内有人所称的“土壤 源一地源热泵系统定义为地埋管换热系统。 1 3 空调用地源热泵系统 1 3 1 地下水源热泵 地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地 下水一般应通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入 热泵换热，这样的系统称为开式环路。此系统的c o p 值一般为3 - 4 5 。但应用受到许 多条件的限制。首先，应用这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件，而 且热泵系统的经济性受到地下水层的深度影响。按常规计算，1 0 0 0 0 m z 的空调面积需要 的地下水量约为8 0 1 2 0 m 3 h 。此外，从地下抽出来的水很难做到全部回灌至含水层中， 第一章绪论 造成地下水资源的流失，而且回灌时易造成地下水层受到污染 2 3 。 1 3 2 地表水热泵 地表水热泵系统的热源是海洋、池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水相对于室 外空气是高品位热源，不存在结霜问题。但由于地表水温度受气候的影响较大，与空气 源热泵类似，当环境温度降低时热泵的供热量减小，性能系数将降低。一定的地表水体 能承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等因素有关。对地表水的利用在取水结构和处 理方面要花费一定的投资，同时要采用防腐蚀的管材或换热器材料。此外，河川水和海 水连续取热降温( 冬季供暖) 或经升温后再排入( 夏季制冷) ，对生态环境是否有影响 也是有值得关注的问题。 1 3 3 地埋管地源热泵 地埋管地源热泵是通过循环液( 水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭的地下埋 管中流动实现系统与大地之问的传热，将热量传送到地下，或从地下吸收热量。地源 热泵空调系统一般由三个必需的环路组成 ： 姗面 o 卞事h 毫 哦 图1 1 地源热泵的运行原理图一制热模式 ( 1 ) 地埋管换热环路 由高强度塑料管组成的在地下循环的封闭环路，循环介质为水或防冻液。冬季从周 围土壤( 地层) 吸收热量，夏季向土壤( 地层) 释放热量，其循环由一台低功率的循环 泵来实现。 地埋管地源热泵系统的主要构件是由地下埋管组成的地埋管换热器，又称地热换热 器。地埋管换热器的设置形式主要有水平和竖直埋管两种。水平埋管是在地面挖1 - 2 m 深的沟，每个沟中埋设2 、4 或6 根聚乙烯塑料管。竖直埋管是在地层中钻直径为0 1 o 1 5 m 的孔，在孔中设置1 组( 2 根) 或2 组( 4 根) u 型管并用灌浆材料填实，钻孔的 2 长安大学工程硕士学位论文 深度通常为4 0 - 2 0 0 m 。建筑物周围可用的地表面积是选择地埋管换热器形式的决定性因 素。换热器竖直埋管比水平埋管节省较多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。 ( 2 ) 制冷剂环路 即在热泵机组内部的制冷循环，与空气源热泵相比，只是将空气一制冷剂换热器换 成水一制冷剂换热器，其它结构基本相同。 ( 3 ) 室内环路 室内环路在建筑物和热泵机组之间传递热量，传递热量的介质有空气、水或制冷剂 等，因而相应的热泵机组分别应为水一空气热泵机组、水一水热泵机组和水一制冷剂热 泵机组。 有的地源热泵还设有加热生活热水的环路。将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循 环的封闭加压环路。对于夏季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，基本不消耗 额外的能量而得到热水供应；在冬季，其耗能也大大低于电热水器。 1 4 地埋管地源热泵的优点 本研究中涉及的地源热泵是地埋管地源热泵。它利用地下土壤温度相对稳定的特 性，在投入少量高位能的基础上，通过埋在地下的地热换热器与大地进行冷热交换，实 现供冷供热的目的。冬季，地源热泵提取大地中的低位热能向建筑物供热，同时储存冷 量，以各夏用；夏季，将建筑物中的热量转移到地下，实现供冷，同时储存热量，以备 冬用。土壤温度除地表数米的表层以外几乎是常年恒定的，而且大地的容量也很大，因 此气候的变化对地源热泵的运行影响很小，可以忽略。地埋管地源热泵系统有如下优点： 1 4 1 节能、运行费用低 深层土地资源的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度 特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高约4 0 。另外，地源温度较恒定的特 性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉一制冷机系统减少， 保证了系统的高效性和经济性。 1 4 2 一机多用，节约设备用房 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机3 用。一套系统可代原来的锅 炉加制冷机两套装置或系统。机组紧凑、节省建筑空间，由此产生的经济效益也相当可 观。可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适用于别墅建筑的采暖、空调。 1 4 3 环境效益显著 3 第一章绪论 开发推广地源热泵空调技术可彻底革除中小型燃煤锅炉房，该装置的运行五污燃料 直接燃烧，没有排烟，也没有废弃物，有利于减少大气环境污染。据有关资料统计，地 源热泵的污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少4 0 以上，比电供暖减少7 0 以 上，如果综合采用其它节能措施，节能减排效果更加明显。同时避免了开式系统的地源 热泵( 抽取水) 可能造成的对地下水的浪费和污染：具有较好的环境效益。 1 4 4 利用再生能源，符合可持续发展战略 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采暖空调系 统。地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，利用 地热的地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置 。由于地源热泵系统的上述优点， 它的应用将产生较好的经济效益和社会效益，在我国建筑空调系统中发挥越来越重要的 作用。地源热泵在我国有着广阔的应用前景。地源热泵与其它热泵系统相比，存在的 主要缺点是初投资较高，另外，提高地源热泵的运行效率也是近几年地源热泵的研究重 点，包括：土壤热物性的研究和回填材料的确定、地热换热器的传热模拟研究、地源热 泵复合系统的研究等。 1 5 国内外研究现状 1 5 1 地源热泵国际研究现状 地源热泵( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ) 的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利 文献中，在2 0 世纪5 0 年代就已在一些北欧国家的供热工程中得到实际应用t 3 3 。此时地 源热泵的研究在欧洲形成第一次高潮。由于当时常规能源比较丰富，热泵系统造价高， 热泵未能得到广泛应用。随着人们生活水平的提高，矿物燃料的迅速枯竭及大量消耗矿 物燃料带来的严重环境污染，具有显著节能、环保特点的热泵得到了迅速发展b 】。上世 纪7 0 年代石油危机以后，美国和加拿大开始在建筑物的供热和空调系统中大量采用地 源热泵技术，此时主要为水平埋管方式。自上世纪8 0 年代以来，在北美也形成了利用 地源热泵对建筑进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这 一阶段的地源热泵主要采用垂直埋管的换热器，埋管的深度通常达4 0 - - 2 0 0 米，因此占 地面积大大减小，应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。9 0 年代初 美国在这一领域的技术研究和应用中取得了较大的进步，并处于技术领先地位h 1 。 理论研究方面，在美国的俄克拉荷马州立大学成立了国际地源热泵协会，专门研究 地源热泵技术的发展与应用。对于地热换热器的设计计算，瑞典学者、美国供热制冷空 4 长安大学工程硕士学位论文 调工程师协会( a s h i 沁) 、美国和加拿大的一些大学和公司都分别提出了各自的设计计 算方法口】。 1 5 2 地源热泵国内研究现状 早在上个世纪5 0 年代，我国就已经开始了空气源热泵的研究工作，而地源热泵研 究的发展则比较缓慢。在国家自然科学基金委员会的资助下，自上世纪9 0 年代初，国 内也开始了对地源热泵的探索性研究。青岛建筑工程学院对垂直埋管的地源热泵进行了 实验室研究，对u 型埋管周围土壤温度场进行了理论研究和试验测试，于1 9 9 8 年建立 了聚乙烯垂直埋管地源热泵装置；1 9 9 8 年，重庆建筑工程学院也建成了包括浅埋竖管 换热器和水平埋管换热器在内的试验装置，主要进行了1 5 米深的套管式垂直浅埋管传 热的实验室研究。同济大学于1 9 9 9 年5 月建成了地源热泵实验台，并进行实验研究。 湖南大学等单位建起了水平埋管地源热泵试验装置，对地源热泵技术进行了实验研究。 有的学者也采用了数值分析和理论研究的方法。有关学者对这一时期的地源热泵研究与 应用进行了总结与展望巧1 。 在地源热泵系统中，地热换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是该项 技术研究的核心和应用的基础。现有的地热换热器设计方法大都基于美国和欧洲对地热 换热器的试验研究。国内有关地源热泵的研究重点均放在地热换热器的试验研究上，试 验的重点是：单位管长放热量的确定；系统c o p 的确定；埋管合理间距的确定；土壤热 遗 物性的确定等。重庆建筑大学、同济大学、青岛建工学院等单位分别根据各自的地质条 件给出了相关的试验结果。同时对地热换热器的传热模型、地热换热器设计计算模拟及 影响地热换热器传热的各种因素进行了初步研究取得了一些阶段性成果。由于影响地热 换热器的因素很多，而且地下传热过程复杂，因此现有的各种设计计算方法得出的结论 往往相差很大，而且在短时间内难以达成共识。 上世纪八、九十年代瑞典的两位研究者e s k i l s o n 和h e l l s t r o m 提出了一种基于叠加 原理的新思路，也称作g 一函数方法，山东建筑大学地源热泵研究所关于地源热泵换热 器传热的研究在消化吸收该研究思路的基础上有所创新，在国际上首次求得了关于地埋 管换热器的三个重要传热问题的解析解，提高了模型的精度和计算速度口】。 1 5 3 当前地源热泵系统设计、应用的主要问题 地热换热器决定了地源热泵系统的初投资和地源热泵整个生命周期的运行效果。影 响地热换热器性能的因素较多，也较复杂，不易得出简单和直接的判断。地埋管换热器 可以看作是一种蓄热式换热器，如果全年向地埋管换热器释放的热量与从中吸收的热量 第一章绪论 不平衡，就会造成多余的热量或冷量在地下的积累，引起地埋管换热器周围岩土年平均 温度的升高或降低，这种情况会影响地埋管换热器的长期换热性能6 , 7 1 。现在人们已经 认识到这个问题。但是，怎样定量地描述冷热负荷的不平衡性，以及定性、定量地评价 冷热负荷不平衡将造成的影响，至今无定论。 在工程设计中，采用建筑冷热负荷概算指标的方法估算建筑负荷，结果为建筑的峰 值负荷。即使根据空调设计手册中推荐的方法如谐波反应法等，计算得出的也只是某一 天2 4 个小时的冷、热负荷，对于全年8 7 6 0 小时而言仍然是峰值负荷。而地埋管换热器 可以看作是一种蓄热式换热器，如果全年向地埋管换热器释放的热量与从中吸收的热量 不平衡，就会造成多余的热量或冷量在地下的积累，引起地埋管换热器周围岩土年平均 温度的升高或降低，这种情况会影响地埋管换热器的长期换热性能。因此，全年逐时负 荷的模拟计算对于地热换热器的设计有着重要的意义。 在对于地埋管换热器设计，很多工程技术人员根据当地测试的岩土热物性采用单位 长度地埋管负荷，来估算埋管长度。即使采用设计软件计算，对于不同负荷特性下的影 响因素如何影响埋管长度，以及如何调整设计参数，使系统在满足使用要求的前提下尽 可能减少埋管长度。节省钻孔占地面积和减少初投资并不十分清楚。 当前地源热泵技术虽然应用较多，但是上述问题并未得到较好解决。因而影响该项 技术的推广应用和发展。 1 6 本文研究的主要内容 本文针对地源热泵系统设计和应用出现的问题，主要研究内容包括以下几个方面： 1 6 1 建筑负荷逐时模拟计算 采用清华大学开发的d e s t 软件进行建筑负荷的逐时模拟计算。由于地埋管换热器 有蓄热性，地埋管换热器设计计算中不仅应考虑建筑的峰值负荷更要考虑地埋管所承担 的长期的持续性负荷，本文将对建筑负荷进行处理，将逐时负荷累加成为日负荷，并进 一步累加为月负荷、年负荷，并给出全年累计冷热负荷比的概念，用以描述地埋管承担 冷热负荷的不均衡性。 1 6 2 地埋管换热器设计计算 介绍地埋管换热器模拟设计专用软件一“地热之星一的最新升级版本v 3 0 及其 应用。 1 6 3 影响地埋管换热器传热的因素分析 6 长安大学工程硕士学位论文 地埋管换热器传热的影响因素较多，本文利用清华大学开发的d e s t 软件研究钻孔 间距、回填材料性能、单双u 、岩土导热系数、u 形管各支管的间距、设定热泵所允许 的循环液最高和最低进液温度等对钻孔长度和地埋管运行效果的影响。 1 6 4 单双埋地管的比较 单、双u 埋管型式是地源热泵工程常用的型式，双u 埋管传热性能好，钻孔少； 单u 埋管管材初投资较少，那种综合性能好是暖通空调设计者和研究者共同关心的问 题，建立地埋管换热器价值工程分析模型，结合工程实例，讨论二者技术经济方面的优 劣。得出实际工程中双u 2 5 管更有优势。 1 6 5 双u 2 5 管在实际工程中的应用 通过一个工程实例，从负荷计算到施工图说明u 2 5 管在实际工程中的可行性。 7 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 负荷计算是空调设计的基础，在暖通空调系统的设计中具有重要的地位，它直接影 响空调系统的划分、制冷设备德选择、自动控制方案的确定和技术经济效果等决策问题。 对于地源热泵系统，建筑负荷更是确定地埋管换热器负荷的前提，准确计算建筑负荷是 对于地埋管换热器的设计至关重要。 2 1 建筑负荷的计算方法 建筑负荷计算起始于十九世纪初，计算方法从m a c k e y 等提出的拟定常传热稳态计 算法，到m i t a l a s 、s t e p h e s o n 等提出的房间反应系数法、z 传递函数法以及冷负荷系数法， 又到s p i f l e r 等提出的最新负荷计算理论辐射时间序列法。主要经历了稳定计算法时期， 周期作用下的不稳定计算法时期和动态负荷计算时期。 采暖通风与空气调节设计规范 规定，热负荷采用的是稳态计算方法，包括围 护结构的基本耗热量和附加耗热量( 朝向，风力，外门，高度等) 。 规范规定冷负荷的计算，除方案或初步设计阶段可采用冷负荷指标进行估算外， 应对空气调节区进行逐项逐时的冷负荷计算。空气调节区的夏季计算得热量，包括：通 过围护结构传入的热量，通过外窗进入的太阳辐射热量、人体散热量、照明散热量、设 备、器具、管道及其他内部热源的散热量，食品或物料的散热量，渗透空气带入的热量， 伴随各种散湿过程产生的潜热量。空气调节区的夏季冷负荷，应根据各项得热量的种类 和性质以及空气调节区的蓄热特性，分别进行计算。通过围护结构进入的非稳态的传热 量、透过外窗进入的太阳辐射的热量、人体散热量以及非全天使用的设备、照明灯具的 散热量等形成的冷负荷，应按非稳态传热方法计算确定，不应将上述的热量的逐时值直 接作为相应时刻的冷负荷的即时值嚏】。 根据空气调节区的同时使用情况、空气调节系统类型及控制方式等各种情况的不 同在确定空气调节系统夏季冷负荷时，主要有两种不同算法：一个是取同时使用的各 空气诵节区逐时冷负荷的综合最大值，即从各空气调节区逐时冷负荷相加之后得出的数 列中找出的最大值；一个是取同时使用的各空气调节区夏季冷负荷的累计值，即找出各 空气调节区逐时冷负荷的最大值并将它们相加在一起，而不考虑它们是否同时发生。 随着计算机技术的发展，在建筑及环境控制领域，上世纪6 0 年代中期开始了对建 8 长安大学工程硕士学位论文 筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计 算方法，形成一些简化的动态传热算法，如度日法，b i n 法等。在这一阶段，建筑模拟 的主要目的是改进围护结构的传热特性。近年来，出现多个空调负荷预测软件。在上 世纪7 0 年代中期，逐渐形成两个美国著名的建筑模拟软件：b l a s t 和d o e - 2 。欧洲也于 上世纪7 0 年代初开始研究模拟分析的方法，开发的具有代表性的软件是e s p - r 。在上 世纪7 0 年代末，随着模块化集成思想的出现，空调和其它能量转换系统及其控制的模 拟软件也逐渐出现，在美国，先后开发出t r n s y s 和h v a c s i m + 。与此同时，亚洲各个国 家也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性，先后投入力量进行研究开发，主要有日本的 h a s p 和中国清华大学的d e s t 。各种软件的特点见表2 1 。 表2 1 建筑负荷计算软件比较 开发部门软件名称功能特点 d o b - 2 1 逐时能耗分析，h v a c 系统运 在d o s 下操作界面，可处理 美国能源部 行的寿命周期成本分析 d o b2 1 结构和功能较为复杂的建筑 适用各类住宅建筑和商业建筑 基于w m d o w s 的操作界 工业供冷、供热负荷计算，空调面，可分析热舒适度，高强度或低 美国国防部 b l a s t 系统以及电力设备逐时能耗模拟强度的辐射换热，变传热系数下 能耗分析 提供了即时的关键词解释，操作 e n e r g y 多区域气流分析，太阳能利用简单同时，对建筑的描述简单， 美国能源部 p l u s 方案设计及建筑热性能研究输出文件不够直观，须经过电子 数据表作进一步处理 加拿大能源 h o 他x p 能耗模拟，负荷计算适用住 可以提供图形和文本两种 格式的输出文件，可供电子数据 科技中心宅建筑 表作进一步处理 美国可持续建筑能耗评价，逐时空调能 易于操作，快速，准确自 建筑工业委e n e r g y 21 0耗分析和照明计算适用住宅建 动生成参考方案和最低能耗方 案，自动调节h v a c 系统，可以 员会筑和小型商业建筑 提供参考方案 可实现分阶段设计，分阶 建筑及空调系统辅助设计、段模拟，图形化界面操作系统， 清华大学 d e s t 建筑节能评估自动生成评估所需 要的实用数据 ： 9 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 在建筑能耗及空调系统模拟领域，建筑模拟分析软件大致可以分为空调系统仿真软 件和建筑能耗模拟软件两大类，分别用于空调系统部件的控制过程的仿真和用于建筑和 系统的动态模拟分析。前者的代表产品为t r n s y s 、s p a r k 和h v a c s i m + ，后者为 d o e - 2 、e n e r g y p l u s 和e s p - r 。第一类软件组态灵活，可以模拟任意形式的系统。由于 采用开放式结构，可以由其他的使用者各自开发各种模块，实现资源共享。然而，这类 软件的核心是在某种控制器控制下的小时间步长的高频动态过程。当研究全年的能耗状 况和动态过程时，采用几秒或一分钟作时间步长就使计算量过大，结果也过于繁杂；而 采用一小时作为时间步长时，又会使控制器的模拟出现严重失真，从而导致模拟出的整 个系统的现象严重背离实际情况。另一方面，灵活的模块方式可以组成不同的系统形式， 但却很难处理实际的建筑物形式。建筑物作为一个整体，很难切割成多个标准模块。第 二类软件，即建筑能耗模拟软件不是立足于系统，而是立足于建筑。这类软件( 如 d o e - 2 , e s p - r , e n e r g y p l u s ) 首先从建筑物出发，可以灵活地处理各种形式的建筑物，很 好地预测建筑热性能和不同围护结构形式对能耗的影响。然而由于是基于建筑物而不是 基于空调系统，就很难像第一类软件那样灵活地构成各种系统。 而d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) 是在认识到当时各种建筑模拟软件的特点 与不足的基础上，开发并不断发展完善而形成的建筑动态模拟工具。它基于。分阶段模 拟 的理念，实现了建筑物与系统的连接。使之既可用于详细地分析建筑物的热特性， 并且可以模拟系统性能，较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。d e s t 软件的研 发始于1 9 8 9 年。开始立足于建筑环境模拟，1 9 9 2 年以前命名为b t p ( b l l i i d i n gt h e r m a l p e r f o r m a n c e ) ，以后逐步加入空调系统模拟模块，命名为i i s a b r e 。为了解决实际设计 中不同阶段的实际问题，更好地将模拟技术投入到实际工程应用中，从1 9 9 7 年开始在 i i s a b r e 的基础上开发针对设计的模拟分析工具d e s t ，并于2 0 0 0 年完成d e s t l 0 版本 并通过鉴定，2 0 0 2 年完成d e s t 住宅版本。如今d e s t 已陆续在国内、欧洲、日本、香 港等地区开始得到应用 9 3 。 2 2d e s t 软件计算建筑负荷 2 2 1d e s t 软件的特点 为了实现“分阶段模拟刀的目标，d e s t 在设计和开发中突出了自己的特点： 2 2 1 1 以自然室温为桥梁，联系建筑物和环境控制系统。自然室温指当建筑物没有 1 0 长安大学工程硕士学位论文 采暖空调系统时，在室外气象条件和室内各种发热量的联合作用下所导致的室内空气温 度。它全面反映了建筑本身的性能和各种被动性热扰动( 室外气象参数，室内发热量) 对建筑物的影响。这样，当分析模拟建筑热性能时，可以立足于建筑，通过精确的建筑 模型，模拟计算各室的自然室温。而在研究空调系统时，又可以以各室的自然室温为对 象，把自然室温与建筑特性参数合在一起构成建筑物模块。 2 2 1 2 分阶段设计，分阶段模拟 实际的设计过程包含不同的设计阶段，在不同的设计阶段，已知和未知条件不同， 随着设计的展开，各阶段的已知和未知条件也在不断转化。d e s t 在开发过程中融合了 实际设计过程的阶段性特点，将模拟划分为建筑热特性分析、系统方案分析、a h u 方 案分析、风网模拟和冷热源模拟共5 个阶段，为不同阶段设计提供准确实用的分析结果， 如建筑热特性的模拟计算提供建筑本体的热特性数据，方案模拟则提供方案设计的模拟 分析结果，由此实现建筑环境及其控制系统设计的分阶段模拟。 2 2 1 3 理想控制的概念 d e s t 采用“理想化 方法来处理后续阶段的部件特性和控制效果，即假定后续阶 段的部件特性和控制效果完全理想，相关部件和控制能满足要求( 冷热量、水量等) ， 这样处理有以下优点： 排除后续设计阶段的“缺省模式 对本设计阶段设计效果的干扰，突出本设计阶 段的模拟分析目的，获得该阶段设计方案的客观评价结果；由于采用相同的输入和假设， 模拟结果具有可比性和实际指导意义；实现当前阶段的模拟完全不需要下一阶段的设计 信息，不给当前阶段的设计工作增加额外的工作量；可以得到对下一阶段的需求，为下 阶段设计提供有益的信息。 2 2 1 4 图形化界面 为了简化描述定义工作，d e s t 开发了图形化的工作界面，所有模拟计算工作都 在基于a u t o c a d 开发的用户界面上进行。由于界面开发基于常用的设计绘图软件，而 且与建筑物相关的各种数据( 材料、几何尺寸、内扰等) 通过数据库接口与用户界面相 连，因此用户通过界面进行建筑物的描述，以及调用相关模拟模块进行计算都十分方便， 也很容易掌握。d e s t 还将模拟计算的结果以e x c e l 报表的形式输出，方便用户查询和 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 分析。 2 2 2d e s t 算例 以河北地区某建筑为例，用d e s t - c 计算建筑负荷。 2 2 2 1 建筑功能设计参数 房间类型分别为：办公室、棋牌室、客房、卫生间等。不同房间的设定参数不同， 以办公室为例说明如下： 表2 2 办公室参数设定 类型名称办公室类型说明静坐 家具系数 l 设定最低照度 3 0 0 人员热扰 人员作息最多人数最少人数人均发热量人均产湿量分配模式 对流0 5 ；辐 办公室人员 426 4 w 0 0 8 4 k g t l r 射：天花板 4 0 ，地板l 嘶 四周5 0 灯光热扰 灯光作息 最大功率最小功率电热转换效率 分配模式 对流0 3 ；辐射：天花板4 0 ， 办公室灯光 1 3 w m 200 9 地板5 0 四周1 傩 设备热扰 最大功率 最小功率 最大产湿量最小产湿量 分配模式 办公室设备2 0 m 2 00 对流0 7 ；辐射：天花板3 3 3 ， 地板3 3 3 四周3 3 3 1 2 长安大学工程硕士学位论文 空调系统 空调开停时间室温上限室温下限湿度上限耐受温度上耐受温度下限 限 办公室空调启 2 62 0o 62 91 6 停 在d e s t 软件里的办公室参数设置图示如下： 翘挎 3 类墨名称f 通办公室 类墨说明蕾坐 家俱系数 1 0 0 0 设定量低巨度( l x ) 3 0 0 0 0 0 人量热量4 一一 。一 _ 一：”一： 人员作1 3 7 5 办公室人员月盯光j 设备作息 最多人数0 2 0 0 蕞互汉点一j 百0 0 0 人均发热量( 哪 人均产谩量i k h r ) 天酶_ 孤辫风( m 一3 h r ) 6 4 0 0 0 0 0 8 4 3 0 0 0 0 2 缺雀人禺热扰 指标樊丑1 平米指标 灯光垫执一零一c 一一j ：一一一一一+ 灯3 吧f l z , l13 7 5 办公室人员盯光，设备作息 最大功事 1 3 一 。 蕞裥鳓丽0 0 0 0 电热转执效率 o 9 0 0 分配梗式3 缺省灯光热扰 揩标类型 1 平米指标 设鲁热执， 一 ”。 设备作息一1 3 7 5 ：办公童天甍对光设备作 鼍= 大功率丽一一 t | 1 3 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 设鲁热执 设备作息 最大功率( w ) 量小功率 量大产湿量( k g ，h r ) 最小产逻量( k g h r ) 分配覆式 指标类型 空一基麓一m - ，。一 空调开停时阍 宣沮e 限 室沮下陬 湿度e 陬 湿度下限 堕l墨苎l 2 2 3d e s t 计算结果 图2 1d e s t 软件中办公室参数设置 d e s t 将计算结果保存为数据库文件，并可以输出为e x c e l 文件，用户可以选择的 输出：建筑逐时冷热负荷、建筑逐时单位面积冷热负荷；系统的能耗及经济性分析；建 筑构件信息及费用( 用户可以自行更改单价) ；建筑、系统及房间负荷统计数据( 非逐 时) ；房间逐时冷热负荷；房间逐时基础室温季度小时数：系统逐时负荷：系统气象数 据。 2 3 地埋管换热器全年累积冷热负荷比的概念 对于地源热泵系统由于地埋管换热器的蓄热性，所以在计算时仅像传统系统一样， 考虑峰值负荷是不合理的。所以本文提出一个新的概念全年累积冷热负荷比r 。 ( r a t i o o fa c c u m u l a t e dl o a d s ) ，定义为全年向地埋管换热器的总释热量与其总吸热 量的之比。 r 。，= q 。积累q i i 积累( 2 1 ) 因此，当r i l = 1 时，地埋管换热器的全年累积吸热量等于释热量，是最理想的情况， 地下岩土年平均温度应该保持恒定。当r 。 1 时，系统的全年累积释热量大于吸 热量，地下岩土年平均温度会逐年升高；当r = l 1 时，系统的全年累积吸热量大于释热 量，地下岩土年平均温度会逐年降低。 地埋管换热器的冷热负荷主要来源于建筑的冷热负荷再加上可选的提供生活热水 1 4 长安大学工程硕士学位论文 的负荷。在设计常规空调系统时，起决定作用的是建筑的峰值负荷。但地源热泵系统则 不同，其地埋管换热器是一个蓄热式换热器，因此不仅是供热和制冷的峰值负荷起作用， 全年累积负荷的大小也至关重要。这样，在进行地源热泵系统的设计和模拟之前，先要 计算建筑物的动态负荷，这需要采用建筑空调负荷计算软件来完成。“地热之星 的 升级版( g e o s t a rv 3 o ) 中集成的由清华大学开发的d e s ti i 2 1 ，可以直接调用计算 得到建筑物的逐时负荷。“地热之星一在计算中要求全年各月的累积冷热负荷，软件可 以自动地由逐时负荷累加得到各月的累积负荷。软件中对于逐时负荷的处理逐时冷负荷 每2 4 组累加得到日冷负荷，日冷负荷按不同月份分组累加得到月冷负荷。找出需要制 冷的月份相加得到年冷负荷q c 。热负荷累加计算同冷负荷，得到年热负荷q h ，。 在制冷工况下地源热泵系统向地埋管换热器的释热量包括：热泵冷凝器的释热量， 即建筑冷负荷和热泵机组压缩机的耗功，再加上由循环水泵的耗功释放到循环水中的热 量；在供热工况下地埋管换热器的吸热量是热泵蒸发器的吸热量，即建筑热负荷扣除热 j j 泵机组压缩机的耗功，再减去循环水泵的耗功。热泵压缩机的耗功率取决于热泵机组的 4 性能系数( c o p ) ，而对于确定的热泵机组，其性能系数主要取决于热泵地源侧循环水的 进口温度。这一温度是随时间变化的，软件中应该确定各时段循环水的温度，并根据热 泵的特性曲线确定热泵机组的c o p 值。 具备了这些数据就可以对全年的释热量和吸热量进行累加，计算出系统全年向地埋。， 管换热器的总释热量和总吸热量，并得到全年累积冷热负荷比h 。 r o ，= q 。( 1 + 1 c o p ( i ) ) eq h j ( i - i c o p ( j )( 2 2 ) c o p 为热泵的性能系数， c o p = 由o p ( 2 3 ) c o p ( i ) 制冷性能系数，c o p ( j ) 制热性能系数，p 消耗的压缩功。热泵的消耗 的压缩功的大小取决于热泵的性能系数( c o p ) ；而对于给定的热泵，其c o p 又主要取决 于地埋管换热器侧循环液进入热泵的温度。工程上通常采用的方法是根据设备制造商提 供的机组的性能参数，通过曲线拟合的方法，得到所选用热泵的c o p 曲线，从而求出不 同的热泵入口水温对应的c o p 值。“地热之星 软件中就已经把相关计算程序嵌入，直 接应用于计算中心删。 2 4 地热之星v 3 0 软件 计算地埋管换热器所使用的“地热之星v 3 0 是原“地热之星v 2 0 ”软件的基础 1 5 第二章地源热泵空调系统的设计负荷计算 上，将d e s t i i 建筑模拟软件引入，对建筑负荷进行动态模拟； 用d e s t 计算完毕后一定要将工程保存，当然这样会生成一个比较大的数据库文 件。“地热之星v 3 o 集成了负荷累加的程序，用户选定了正确的数据库文件后，负荷 累加计算结果自动显示到负荷表中。 在用户进行模拟或设计计算之后，能自动将设计参数和计算结果生成模拟输出报 表或设计输出报表的e x c e l 表格。输出报表的内容包括：工程信息、设计参数、计算结 果