地源热泵系统负荷不平衡率对土壤温度的影响_曹馨雅

1、建筑热能通风空训年建筑热能通风空调文章编号：（）地源热泵系统负荷不平衡率对土壤温度的影响曹磬雅周亚素方辉旺东华大学环境科学与T樫学院摘要:本丈分析了地源热泵系统建筑冷热负荷待性对土壤温度的影响以一实际建筑为研究对象模拟了冷热 负荷不平衡帖况下地源热泵系统地埋管出丨1水温的动态变化.并由此给出研究建筑冷热负荷不平衡率对土壤汨 度的影响时应综合考虑的因素。关键词:地源热泵冷热负荷不平衡率出II水温Abstract:Keywords:© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights rese

2、rved, 建筑热能通风空训年© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 建筑热能通风空训年0 引言就建筑物负荷自身的待点而工我国人部分地区 的地源热泵系统都面临地下排热吊和取热吊不平衡 的问题 当建筑物冷热负荷不平衡时地埋管换热器 夏季累il向土壤的放热呈与冬季从土壤的取热駅并 不一致.这样氏期取放热帚不平衡的堆枳若超过土壤 白身对热皐的扩散能力造成土壤温度不断偏离初始 温度并导致地埋管出II水温随之变化，系统运行效 率逐年下降这一方面会影响地源热泵的运行件

3、能. 另一方面也会导致土壤物性参数的变化。1 热平衝问题的分析土壤的初始温度较低所以夏季刚开始运行地源收稳日期:作者简介：陣馨雅（）.女.硕上研究生:上海市松江区人民北路 热泵的效果是I匕较好的.但随裤复予运行时间的推移. 土壤温度逐渐升筒，地埋借换热器的换热效率会逐渐 下降 在冬孕丁况时随看冬季运行时间推移土壤温 度逐渐卜-降地埋管换热器的换热效率也会逐渐卜降根据建筑物功能的不同建筑冷热负荷待性也竹 所不同 对于办公类的建筑，负荷主要集中在白天第 一 I运行结束后，至第二H运行前右一段停止运行的 时间若这段恢复时间能使地埋管换热器周土壤温 度恢更到接近初始状态则主要进行以II为周期的负 荷变

4、化待性分析;如果一 U内不含恢复期一周内地埋 管换热器具右恢复期.可能便第二周运行前地埋管换 热器周囤土壤温度能够恢覆到初始状态就应进行以 周为周期的负荷变化挣性分析：灯于酒店类的建筑，负 荷主要集中在夜晚.门天也竹较低负荷，负荷持续性 强这就应进行以季i'j为周期（一个运行乎和一个恢复号号楼 室（ 季）的负荷变化特性分析;如果季仔运彳亍期内土壤温 仍不能恢复，就应以年为周期进行负荷变化特性分 析若地源热泵系统运行一个夏孕肩,地埋管换热器 周|;|的土壤温度升高然后经过秋季的恢复，土壤温 仪仍高于初始温度,那么对丁地源热泵系统冬弦工况 的运行是有利的 所以应分析毎个周期年之后地埋 管换

5、热器周I料土壤温度与初始土壤温度的变化.以及 连续运行多年后土壤热堆枳对系统运行待性的影响一 由于地埋管换热器周围的土壤温度将直接影响 地埋管出11水汩，卜面笔者将对一实际建筑的地源热 泵系统建立模型，逐时模拟Jt I年运行状况.分析建 筑冷热负荷不平衡时地埋管出丨I水温的变化2 模拟过程与结果分析2.1全年动态负荷模拟水文选取的研究对象为上海市松江区一幢办公 建筑屮搂的间实验宰层奇 空调而枳 。 闌护结构的参数如表。ai房间围护结构参数表龙片$4M穴代I .S鲜29.U2-f佝“ >)房间内共 人台电脑丁作时间为周一至周I I;照明负荷为。夏季宰内空调设汁温度 Y冬季室内空调设计温度

6、。采用 软件模拟全年动态负荷。用反应系数法来计算建筑围护结构传热罐。模拟全年逐时负荷结果如图:圧厂迂坊；！"；：；：图1全年逐时负荷由模拟结果可知:夏季峰值冷负荷为.冬季蜂值热负荷为。供冷时间取月口月日累枳冷负荷为，采暖时间取 月 日月 U,累枳热负荷。峰值冷热负荷比为，累积冷热负荷比为 。根据当地热响应测试得到.土壤导热系数入=，单位孔深换热能力为，设计地下埋管换热器采用垂直埋管系统,钻孔深，口井间距，m 形管管材选用公称外径为tF>根据该建筑冷热负荷计算值选取某公司 热泵机组一台，额定制冷量，制冷功率；额定制热吊，制热功率o水泵型号为流最 扬程2.2地源热泵系统模拟及结果分

7、析采用瞬时系统模拟程序软件模拟地源热泵系统 >是模块化的动态仿真软件即认为所右系统均由若干个小的系统（即模块）组成，一个 模块实现某种特定的功能该软件的地源热泵系统 模块地卜换热器的数学模型是采用比较接近实际传 热的柱热源模型利用普加原理获得土壤屮的浴度分 布即把地埋管换热器与土壤传热的问题分解成全局 传热问题、局部传热问题和稳态传热问题.再把由这三 个传热间题得到的各点土壤温度世仃普加从而得到 该点的土壤总温度前两个问题用右限杀分法來解决. 第三个何题通过解析解得到。本系统采用的模块流程示总图如图。为了淸晰 地显示务模块之间的连接图中略去了控制模块图2 TRNSYS模拟流程示意图该实验

8、案空调运行时间为 月II月 II制 冷月口月 日制热每天 开机, 夜间停机4卩夜间为地埋管换热器周閘土壤温度的恢 复期该地区土壤初始温度经实测为龙"设定好各 个模块的参数后，导入全年动态负荷 模拟出第一年 月II-月 I全年埋管出【I水温随时间变化如 图。图3第一年地埋管岀口水温随时间变化由图可知.第一年空调系统第一犬刚开始运行 时（即n u 点）地埋管出II水温初始为龙.© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第卷第期曹犀雅茅：地源热泵系统负荷

9、不半筒率对土壤温度的彩响当H运行结束时地埋管出II水温降至丫经过夜间的恢复.至第二天月 U点再开始运行时地埋 管出II水温恢复至随着系统的运行,不断地吸取地卜土壤的热幘地埋管出丨I水温不断卜降 运 行至月 U点（I!卩第小时）地埋管出丨1水温降至冬季最低为口冬季结束即 月 I当口地埋管出II水温最低为V之后进入春季的恢复季月 口点地埋借出丨1水温恢复至弋,之后空调系统进入夏季丁况运行.夏季T况笫一天 （即 月11）地埋管出丨1水温最高升至Y经过夜间的恢复，至月 日点空调运行前地埋管出口 水温恢复至弋 随着系统的运行，不断向地F土壤放热地理管出丨I水温不断升高，运行至 月 U 点（即第 小时）地

10、埋ff.'Hll水温升至夏季最 高为U夏季结束即月 日当日地埋管出II水温最高为乞。之后进入秋季的恢复季芳，月n 点地埋管出II水温恢貝至弋，之后进入下一个冬季丁况运行。由数据可他，该系统第一年夏季丁况运行前地埋 管出口温度为 出丨|水温升至 II水温恢复至 冬季的换热效率 水温降至 温恢夏至 升高了弋经过一个夏乎的运行，地埋管 弋然后经过一个秋季,地埋管出 弋并未恢复至初始温度，捉离了 冬季T况运行结束时地埋管出II龙然后经过一个春季地埋管出II水 弋，比第-年该时间的地埋管出11水温图4运行10年地埋管出口水温随时间变化图5毎年同一时间地埋管出口水温为了分析冷热负荷不平衡率対地源热

11、泵系统氏 期运行的性能影响模拟其十年的运行工况,地埋管 岀门水温隣时间变化如图。由于数据晟过多为方便 比较，取每年 月II点运行前的地埋管出口水沒 逬行比较.即认为第一年 月n点运行前的地埋 管出H水温为初始温度之后每年该时间的地埋管出 水温纭之比絞來观察地埋管出丨1水温的变化悄况. 如图。由图得每年 月 日 点运行前的地埋管出 11水温温升见农心衣示第j年的地埋管出11水温 比第i年的温升鼠。表2地埋管出口水温温升喪 w(C) h* >0.22S >0 h <- U tO.t4oe) 2 To030>2A . ii01由数据分析可知该地源热泵系统运行笫二年的 地埋管出

12、11水温比第一年同一时间点的地埋管出11 水温的增屋较大即丄因为系统向土壤的排热帚超过了土壤的热扩散能力所以土壤温度升高. 地埋管出II水温升高。着系统的运行.之后每年该 时间点的地埋骨出口水温的变化值逐年减小,即 f. 弋表示第三年的地埋管出11水温比第二年 升高了 ：；/. 龙表示第四年的地埋骨出II 水温比第三年升高了. 兀表示第十年的地埋管出11水温比第九年升高了 弋土 壤9理管的换热駅利土壤的热扩散的热赧逐渐达到 平衡.系统运行趋于稳定状态。该建筑冬复冷热负荷不平衡，夏季向土壤的排热 址大于冬乐的吸热量峰值负荷不平衡率达累积负荷不平衡率达。经过十年的运行.月 n点.即夏季工况开始运行

13、前的地埋管出口水温升高 了 七，即SA/ =%：,虽然换热量右所下降但基本满足热泵机组的进【1水温要求。3结论本文对一实际建筑的地源热泵系统建立模熨以 年为冏期分析建筑冷热负荷不平衡率对土壤温度的 影响通过对该系统氏期运行丁况的模拟.得到地埋 管出丨丨水温的逐时变化发现由于土壤本身具右一定 的热扩散能力和醤热能力.即便建筑物冷热负荷不平 衡但在定范围内土壤的恢复能力也可保证系统氏 期右效的运行。可见地源热泉系统是允许右一定冷（下转页）适应件模型赴在办公建筑条件卜拟合出来的经验模 型.9本文研究的传统民居建筑形式不同，且使用者 的人体参数也存在差异导致模型偏离了实测结果 故而传统民居中的适应性模

14、型还有待修正。343230L994S2=0*"U（）；国家科技支撑计划一复热冬冷地区建筑肖能关键技术集成与示范（）c此外还要感激李峥蝶教授和赵群讲师的支持，参考文献腰润柏徐文华热环境I:海同济大学出版社© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第卷第期曹犀雅茅：地源热泵系统负荷不半筒率对土壤温度的彩响2«.O».0 血0 310 3103X0 n» 图14 ET与G的关系筑学报黄淮红张毅郑卩.铎江浙地区传统民居节能技术

15、研究fi图15自然通风建筑适应性热舒适标准4 结论© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第卷第期曹犀雅茅：地源热泵系统负荷不半筒率对土壤温度的彩响© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第卷第期曹犀雅茅：地源热泵系统负荷不半筒率对土壤温度的彩响）浙西肯民居屮，羞内热环境温湿度I变化范屈 分别是乜和；宰内风速波动范闌为

16、，平均风速为；壁面温度与空气温度接近山于闷晒作用.楼板温度比地面温度高 £家内平均辐射温度为弋；操作温度为）利用标准榄型、 模型（）和适应性模羽分别对宰内热环境进 行评价并将侦测结果与实际调研结果相比.发现 模型与实际结果最接近；）在本次测试中.影响 的主要因素是风 速它与具右一定的对数关系:yx斤。当风速被视为有利因素时平均热感觉降低了 ，平均满意度提高了；）平均辐射温度与宰内空代温度之间存在线性 关系：（/?） 与气候宰研究结果非常接近；）适应性模型是在办公建筑条件下拟合出來的 经脸模熨.与本文研究的传统民居建筑形式不同H. 两类建筑中使川者的人体参数也存在是异，因此传统 民居中的适应性離型还右待修正。致谢本项研究获得以下项目资助：国家科技支撐计 划一村镇建筑节能与抗震关键技术研究与示范金招芬朱颖心建筑环境学北京中国建筑丁业出版社郭养梅张于峰n然通风环境热舒适性泮价与分析暧通空（上接页）热负荷不平衡率存在的，具体不平衡率