基于动态负荷分析的地源热泵系统设计

摘要：作为一种节能的空调系统，地源热泵系统已广泛应用于各种类型的工业与民用建筑。本文结合苏州德威国际学校的地源热泵系统设计，阐述了一种基于动态负荷分析的设计方法，并对系统夏季的运行控制提供依据。

关键词：动态负荷分析 地源热泵系统

Abstract: as a kind of energy-saving air conditioning system, ground source heat pump system has been widely used in various types of industrial and civil architecture. This paper's international school of suzhou's ground source heat pump system design, and expounds a kind of dynamic load analysis based on the design method, and the system of summer operation control provides the basis.

Keywords: dynamic load analysis ground source heat pump system

中图分类号： N945.23文献标识码：A 文章编号：

一、工程概况

苏州德威国际学校位于苏州工业园区，分为教学楼和宿舍两个主要建筑单体。总建筑面积约为26400平米。其中教学楼为地下一层，地上四层，总建筑面积为20419.19平米；宿舍为地上五层，建筑面积为5933.39平米。校园内有总面积约为12000平米的橄榄球场，足球场和篮球场。教学楼一层有一个1000平米左右的游泳池。根据学校空调系统，生活热水使用的特点，结合当地的燃气，蒸汽等能源价格，经技术分析比较，设计院建议业主采用地源热泵系统，满足学校的空调和热水的需求。

二、全年动态负荷计算

教学楼的主要围护结构参数：外墙（含非透明幕墙）传热系数0.78 W/(m2.K)；外窗（含透明幕墙）传热系数3.00 W/(m2.K)；屋顶传热系数0.49 W/(m2.K)

宿舍楼的主要围护结构参数：外墙（含非透明幕墙）传热系数0.93 W/(m2.K)；外窗（含透明幕墙）传热系数3.00 W/(m2.K)；屋顶传热系数0.69 W/(m2.K)

采用HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件（能耗分析版）V3.8对教学楼和宿舍楼进行动态负荷进行计算，全年逐时负荷变化曲线图如下（下图扣除寒假12月11日至1月2日，暑假6月25日至8月22日的逐时冷负荷。）：

1）教学楼全年动态冷热负荷：

图1：教学楼全年动态冷热负荷图

注：教学楼全年动态负荷计算的限定条件为：运行时间范围为每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日，8：00～17：00。

根据全年动态负荷图，可知在限定的时间内，教学楼的全年制冷负荷累计1552.8MW.H，全年制热负荷累计1074.5MW.H。

2）宿舍楼冷热负荷：

图2：宿舍楼冷热负荷图

注：宿舍楼全年动态负荷计算的限定条件为：运行时间范围为每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日，18：00～7：00。

根据全年动态负荷图，可知在限定的时间内，教学楼的全年制冷负荷累计120.4MW.H，全年制热负荷累计185.8MW.H。

3）教学楼加宿舍楼的冷热负荷叠加：

图3：宿舍楼加教学楼冷热负荷叠加图

注：全年动态负荷计算的限定条件为：宿舍楼的运行时间范围为每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日18：00～6：00。教学楼的运行时间范围为每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日7：00～17：00。

根据全年动态负荷图，可知在限定的时间内，教学楼的全年制冷负荷累计1673.2MW.H，全年制热负荷累计1259.96MW.H。

三、土壤总得热量与失热量计算

地源热泵空调机组制冷时的平均效率为EER=5.93，制热时的平均效率为COP=3.79，地源热泵热水机组全年产热水时的平均效率为COP=3.47。

由全年的冷热负荷及机组的效率可知，建筑物供冷时全年向地下的累计排热量为1955.3MW.H；建筑物供热时全年向地下的累计吸热量为：927.4MW.H；生产热水时全年向地下的累计吸热量为：432.54MW.H。

由此可知土壤的全年累计得热量为1955.3MW.H,累计吸热量为1354.5MW.H，土壤的累计得热量比吸热量多600.8MW.H，因此需配备冷却塔。

四、地下热平衡分析

根据土壤的总得热量和总吸热量计算结果，下面分别采用以下两种运行情况进行分析比较。

（1）该系统冬季热负荷及热水的生产全部采用地源热泵，夏季优先采用冷却塔系统，地埋管作为夏季调峰用，参见下图：

图4：夏季优先使用冷却塔的运行模式图

根据上图可知，若夏季优先使用冷却塔，全年总热负荷为：1354.5MW.H（含热水），全年冷却塔的总冷负荷为1307.57MW.H，全年地源热泵总冷负荷为598.43MW.H，根据机组的效率，土壤在冬季的失热量为1354.5MW.H，夏季的得热量为598.43MW.H。不平衡率为：

ξ=（1354.5-598.43）÷1354.5

=55.82%

该种运行模式使地下温度场的变化比较大，不利于地下热平衡，会破坏土壤的温度场。

（2）该系统冬季热负荷及热水的生产全部采用地源热泵，夏季优先采用地埋管系统，冷却塔作为夏季调峰用，参见下图：

图5：夏季优先使用地埋管的运行模式图

根据上图可知，若夏季优先使用地源热泵，全年总热负荷为：1354.5MW.H（含热水），全年地源热泵的总冷负荷为1307.57MW.H，全年冷却塔的总冷负荷为598.43MW.H，根据机组的效率，土壤在冬季的失热量为1354.5MW.H，夏季的得热量为1307.57MW.H。不平衡率为：

ξ=（1354.5-1307.57）÷1354.5

=3.46%

该种运行模式使地下温度场在短时间内基本保持不变，长年运行会使地下温度发生改变。

五、地源热泵空调和热水系统

根据空调计算峰时负荷和生活热水峰时负荷及冷却塔的散热负荷选择地源热泵空调机组和地源热泵热水机组和冷却塔，系统流程图见下图。

图6：地源热泵空调及生活热水系统流程图

六、系统运行模式及地下温度场分析

根据地下热平衡的分析，采用夏季优先使用地埋管系统，冷却塔作为调峰的方案。系统运行后，夏季均采用地源热泵进行调峰，每年3.46%的不平衡率可以通过大地的自修复能力达到平衡，可保证地下温度场长年达到热平衡。

若地埋管布置形式为：钻井294口井，每口井间距为5m，每口井深为120m。系统运行模式为夏季均采用地源热泵进行调峰，到了第七年冬季结束时，地下温度升高0.06℃，温度变化曲线参照下图：

图7：土壤温度场变化示意图

上图是以工程竣工后夏季优先运行，到了第七年冬季结束时，地下温度升高0.06℃，到第七年的冬季（图中14点）土壤的温度升高0.06℃，地下温度场基本保持不变。

七、结论

1.运用空调负荷分析软件对建筑物进行全年逐时负荷计算分析，有助于地源热泵空调系统设备的正确选型。

2.对土壤热平衡的分析有助于确定夏季地埋管散热系统和冷却塔的运行时间分配，改善土壤热平衡情况，延长地源热泵空调系统的使用寿命。

参考文献：

1. 《地源热泵冷热源机房设计与施工》国家建筑标准设计图集06R115

2. 《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366-2005

3. 《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调 动力》2009年版

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。