地埋管地源热泵与间歇性负荷耦合的特性分析.doc

地埋管地源热泵与间歇性负荷耦合的特性分析河北工程大学张子平李延菲李琼摘要以办公楼为研究对象分析间歇性负荷特性结合土壤源热泵的运行特性和启动特性讨论土壤源热泵作为间歇性负荷的冷热源的特性采用间歇运行的方式将两者耦合更好的满足空调负荷的动态变化根据地源热泵地埋管换热器启动阶段的换热特性提出一种节省初投资及运行费用的设计思路关键词土壤源热泵负荷耦合间歇调节前言国家发改委近日发布了节能中长期专项规划推动全社会开展节能降耗缓解能源瓶颈制约在能耗总消耗中建筑能耗占很大比例其中照明特别是空调占据了建筑能耗的绝大部分因此进行空调节能研究对解决中国能源问题有着重要意义任何一种空调形式在以设备选型为目的的负荷计算时都是计算最不利气象条件下的最大负荷空调负荷是随着气象条件等因素而变化的多数时间远小于设计负荷并且在冷热源设备容量的确定上一般都考虑最不利情况并附加一定的安全系数这就造成制冷设备和空气处理设备的容量有很大的富余量在室外空气参数和室内负荷不断变化的情况下如果空调系统不做相应的调节既不能满足设计要求又浪费了能源土壤源热泵技术是一项高效节能有利于环境保护和可持续发展的空调冷热源技术它克服了空气源热泵的技术障碍能效比大大提高地源热泵机组运行在启动时有其特性因此将地源热泵应用于间歇性负荷可以充分的发挥这些新技术的节能潜力办公楼建筑具有典型的间歇性负荷特性本文以办公楼建筑为研究对象就其负荷特性与土壤源热泵运行进行耦合进行分析近年来办公楼类建筑在全国各地迅速增多对舒适性与节能指标的要求也在不断提高同时由于在空调系统设计及运行中存在很多有待改进的地方因而具有巨大的节能潜力和可观的经济效益间歇性负荷特性空调负荷主要包括围护结构传热负荷日射得热负荷室内热源负荷和新风负荷等现代化办公楼的使用特点是上班时人员集中而下班后仅有极少部分人员加班具有典型的间歇性负荷的特性办公楼类建筑的密封性较好其室内空气环境完全依赖于空调系统办公室要求有良好的室内照明办公自动化系统又必不可少室内发热设备很多现代化办公建筑的功能和使用特点决定了其负荷特性这就要求办公楼的空调系统应能满足大负荷时的用冷量外还应能在部分负荷时高效供冷根据文献对某一实际工程的负荷特性进行分析图全年冷负荷时间分布图设计日实际运行冷负荷曲线由图图和文献统计的数据看出办公楼的空调的最大冷负荷时间仅为全年供冷时间的而以下的负荷时间可达办公楼空调的冷负荷主要是室内热源得热量在上班时间负荷变化比较平坦办公人员下班后全楼负荷突然减小小负荷运行时间长可视为间歇性负荷土壤源热泵的运行特性与间歇性负荷的耦合土壤源热泵是以大地土壤为冷热源的一种热泵形式利用土壤的蓄热性能通过埋入地下的换热器夏季把室内的热量取出来释放到土壤中冬季把土壤中的热量取出来供给室内采暖一机两用土壤源热泵技术是一项高效节能有利于环境保护和可持续发展的空调冷热源技术但是由于土壤源热泵的初投资较常规的空气源热泵系统高它的应用推广受到了限制因此要充分发挥土壤源热泵的优势必须优化系统的匹配提高系统的经济运行提高系统的运行效率土壤源热泵启动阶段的特性在实际运行过程中因垂直埋管对土壤吸热放热而引起土壤温度发生变化使运行工况发生变化土壤源热泵系统在启动阶段时埋管换热器周围土壤温度和热泵机组参数都急剧变化的工况阶段文献结合对土壤源热泵上海地区工况的实测研究了冬季夏季土壤源热泵的启动工况结果表明土壤源热泵的冬季启动时间为夏季工况的启动时间比冬季长为然后进入准稳态过程造成这种差异的主要原因是由于冬季工况下地下埋管换热器内流体与管外土壤的温差较夏季要小从而相应的初始阶段启动阶段经历的时间相应地缩短在土壤源热泵的启动阶段埋管换热器与土壤中的换热量随时间变化图以夏季为研究对象表为重庆大学土壤源热泵在月日地下换热器的实时单位孔长传热量表月日地下换热器的实时单位孔长传热量时间四号管单位孔长传热量五号管单位孔长传热量根据表的数据对四号五号埋管地下换热器的实时单位孔长传热量描点进行曲线的拟合得出公式式中时间单位孔长传热量单位孔长传热量公式分别是四号五号管地下换热器的实时单位孔长传热量随时间变化的拟合曲线对公式进行积分再求出前小时的平均单位孔长传热量小时后土壤源热泵运行进入准稳态后的单位孔长传热量分别是我们可以看出土壤源热泵的启动阶段的平均换热量比进入准稳态时的大左右图四五号管进出水温差比较根据文献对土壤源热泵河北南部地区在夏季运行实验时的地温变化规律地下埋管换热器的吸热量排热量的实验结果的分析参看图热泵运行约小时后地温上升至约左右地源热泵停止运行后埋管井内的地温又迅速回落约小时后可恢复到左右随着运行时间的增加埋管并地温能恢复到的最低温度略呈上升的趋势同济大学的分析结果为土壤源热泵上海地区连续运行小时后系统停止运行土壤温度的恢复时间约需要小时这就说明说明每天小时工作制的用户机组运行不受前期机组运行的影响因此对于办公楼类建筑负荷时间比较集中适合这种间歇性运行的热泵系统图夏季热泵运行期间各井地温土壤源热泵运行特性与间歇性负荷的耦合根据对办公楼的负荷特性分析和土壤源热泵的启动特性分析两者的耦合间歇性负荷与连续负荷的不同在于由于建筑物的蓄热性经过长时间的蓄热间歇性负荷初始时候即空调机组启动时负荷值较连续运行的负荷同一时刻高因此这种负荷特性和土壤源热泵的启动特性有着很好的耦合关系将两者结合必然会能更好的满足负荷的动态变化典型的办公建筑物的空调系统可以采用间歇运行间歇运行系统的空调设计负荷计算与连续运行的设计负荷计算有所不同按照建筑物冷负荷设计计算方法冷负荷系数发计算出连续运行的最大负荷乘以间歇空调负荷系数便可以得到间歇运行情况下的空调设计负荷间歇空调负荷系数的定义是间歇空调负荷系数式中不同的外墙窗和屋顶结构的办公类建筑的间歇空调运行系数可以查出土壤源热泵机组采用间歇运行方案即每天只在上班时间运行对于埋管井而言就夏季工况而言随着地源热泵系统的运行埋管井内地温变化的幅度较大地温迅速上升然后进入准稳态运行阶段采用间歇运行土壤温度恢复良好而启动阶段地埋管的平均换热量比稳态运行阶段大约而我们在设计时采用的都是稳定运行时参数忽略了这部分能量办公楼的空调的最大冷负荷时间仅为全年供冷时间的而以下的负荷时间可达空调的系统大部分时间在部分负荷的情况下运行为使热泵机组的运行特性与负荷特性较好的匹配对于实际应用的地源热泵系统结合其启动特性考虑采用相对较少的装机容量减少埋管长度以节省初投资和相应的运行费用当外界负荷变化较小时可采用改变外部循环水流量的方法进行调节当外部负荷变化较大时宜采用改变压缩机容量的调节方法由于变频技术的发展变流量调节逐步完善基于变频技术的土壤源热泵空调系统可以节省机组运行能耗的对于长时间的小负荷情况可以考虑蓄能例如利用热泵机组启动阶段较强的换热能力而此时空调正处于部分负荷阶段采用消防水池将冷量蓄积起来以供应小负荷运行节省能耗应用分析对某办公楼的典型层冷负荷进行模拟其工作日的负荷如图根据负荷图我们采用土壤源热泵间歇运行空调运行时间工作日是周六周日停机图热泵制冷量及工作日负荷根据热泵机组在启动阶段的运行特性利用其相对准稳态运行阶段时较大的换热量热泵机组制冷量按照其准稳态运行阶段选择设计如果按照最大冷负荷的设计装机容量和埋管长度显然可以节省的地下埋管初投资机组运行也会相应的节省能耗如果热泵机组容量为最大设计冷负荷的图中看出制冷量不能满足室内最大冷负荷在设计日最大冷负荷时供冷量会有大约满足不了负荷在这种情况下随着室外温度的升高维护结构传热冷负荷增加其它负荷基本不变室内湿负荷不变含湿量不变热湿比线增大如图室内状态点由变为图中平行四边形为室内空气温湿度允许波动区经过计算可知室内温度变化在允许的波动范围内不会影响室内舒适度而且根据上文的分析空调运行超过最大负荷的时间占运行总时间左右所以这种设计方案值得考虑由于变频技术的发展变流量调节逐步完善当部分负荷时采用机组变流量和循环水变流量调节变流量运行调节的性能和能耗分析方面大量文献已经进行了阐述本文不再赘述而当热泵机组停止运行时如还有少量负荷可以采用蓄冷水池直接供冷的方式结论考虑利用地源热泵的运行特性将其与间歇性负荷相结合分析两者耦合对于地源热图室内状态变化的图泵而言其运行工况要和空调末端负荷相适应应根据负荷特性和地下水文地质条件确定相应的地源热泵运行工况根据办公楼建筑的负荷特性办公楼类建筑负荷时间比较集中适合间歇性运行的热泵系统充分利用地源热泵的启动特性与蓄能技术相结合采用机组与循环水变流量调节满足空调负荷的动态变化地源热泵系统的容量调节方法宜根据负荷特性和热泵机组运行性能进行内外运行参数的综合调节结合热泵机组启动特性提出一种新的热泵系统设计思路与各位同仁探讨但是数据的准确性需要进一步实验验证其具体的可行性和实用性有待于进一步研究参考文献赵志安杨纯华现代化办公楼空调冷负荷特性及设备选择暖通空调王景刚自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究博士论文天津大学毕海洋端木琳李永安等基于变频技术的地源热泵空调系统运行能耗分析全国暖通空调制冷年学术论文集李元旦张旭周亚素陈沛霖土壤源热泵冬季工况启动特性暖通空调周亚素张旭陈沛霖土壤源热泵夏季工况启动特性的实验研究年全国热泵和空调技术交流会论文集吴永华垂直埋管式土壤源热泵的设计施工方法及夏季供冷测试和传热模型硕士论文重庆重庆大学200211陈华涂光备申江香港地区办公楼建筑负荷的模拟计算流体机械