北京市勘察設計研究院有限公司  劉啟明  高朋 劉嘉 李向虎

       【摘  要】地埋管地源熱泵系統取熱量和放熱量的平衡對地埋管地源熱泵系統長期穩定運行尤為重要，其系統取熱量和放熱量均取決于建筑物的冷熱負荷。本文采用DeST軟件對典型氣候區典型建筑的全年逐時負荷進行模擬并分析其特性，酒店和醫院建筑的負荷穩定性較差，持續性較強，商場、住宅和辦公類建筑負荷穩定性較強，持續性較弱；嚴寒地區和夏熱冬冷地區全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷的不平衡率較高，而寒冷地區不平衡率較低。

       【關鍵詞】建筑負荷、DeST軟件、氣候區、典型建筑

1 引言

       地埋管地源熱泵是利用熱泵技術將淺層地熱能用于滿足建筑物冷熱負荷需求。地埋管地源熱泵將夏季建筑物產生的熱量排放至土壤中，而冬季則從土壤中提取熱量傳遞至建筑物中。地埋管地源熱泵系統取熱量和放熱量的平衡是保證其長期穩定運行的關鍵^[1]。而地埋管地源熱泵系統的取熱量和放熱量又取決于建筑物的冷熱負荷，因此，建筑物的冷熱負荷是影響地埋管地源熱泵運行穩定及適用性的重要因素，故本文對建筑物的負荷特性進行研究。

       我國地域遼闊，根據建筑熱工特性，分為五類典型氣候區（嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區）。五類典型氣候區因其氣象參數不同，對建筑負荷特性具有一定影響。建筑物根據其使用功能，圍護結構、人員密度、照明設備功率等設計參數存在差異，建筑類型對建筑的冷熱負荷也存在一定影響^[2-4]。故本文對典型氣候區典型建筑負荷特性進行研究，采用建筑全年動態逐時負荷模擬軟件DeST模擬典型氣候區典型建筑負荷，并分析其負荷特性。

2 DeST模型建立及參數設定

       在典型氣候區中分別選取典型代表城市，其代表城市的氣象參數如表1所示。根據建筑功能，選取酒店、商場、住宅、辦公和醫院作為典型建筑進行研究。

表1 典型氣候區代表城市

表2  典型氣候區建筑物圍護結構熱工性能表

       根據《公共建筑節能設計標準》和《實用供熱空調設計手冊》，對典型氣候區建筑物圍護結構參數和建筑的人員、照明和設備等內擾參數、空調設計參數進行設置，典型氣候區建筑物圍護結構設置參數如表2所示，五類典型建筑的人員、照明和設備等內擾設置參數及空調設計參數如表3所示，其DeST模型如圖1所示。

圖1 五類典型建筑的DeST模型

3 模擬結果

       3.1  建筑全年逐時負荷模擬結果

       本文對五類典型氣候區五類典型建筑進行全年逐時負荷模擬，鑒于五類典型建筑的面積不同，五類典型建筑的全年負荷峰值指標及全年累計負荷指標如表4所示。

表3 典型建筑的內擾參數及空調設計參數表

表4  典型氣候區典型建筑全年負荷模擬結果

       注：全年負荷峰值指標是指單位面積下全年峰值負荷；全年累計負荷峰值是指單位面積下全年累計負荷。

       3.2 建筑空調季逐時負荷模擬結果

       建筑空調系統的制冷、供暖天數的長短以及具體日期的確定，對建筑空調季的冷、熱負荷峰值及冷、熱負荷累計量具有較大影響。本文根據室外干球溫度制定出典型氣候分區代表城市的制冷和供暖季，具體規定如下：

       （1）日平均溫度高于25℃的起止日期規定為制冷季；

       （2）日平均溫度小于5℃的起止日期規定為供暖季；

       （3）其余時間為過渡季。

       根據以上規定，五個代表城市的制冷季、供暖季的具體時間如表5所示，由表5可知，哈爾濱、北京和武漢地區的制冷天數和供暖天數存在差異，廣州地區只有制冷季，冬季無供暖季，昆明地區沒有制冷季和供暖季，無制冷和供暖需求。鑒于此，地埋管地源熱泵在夏熱冬暖地區（廣州）和溫和地區（昆明）無從應用，故本文不再對五類典型建筑在夏熱冬暖地區和溫和地區的負荷特征進行討論。根據代表城市制冷季和供暖季的劃分，進而可得出五類典型建筑在五個代表城市的制冷負荷和供暖負荷分布情況。五類典型建筑在五個代表城市的空調季峰值負荷指標及空調季累計負荷指標如表6。

表5  代表城市的制冷季和供暖季劃分

表6  典型氣候區典型建筑空調季負荷模擬結果

       注：空調季負荷峰值指標是指單位面積下空調季峰值負荷；空調季累計負荷指標是指單位面積下空調季累計負荷。

4 結果分析

       4.1 建筑類型對負荷特性的影響

       由于建筑的功能、人員的在室率、設備和照明的使用率等因素，不同的建筑，負荷穩定性、持續性等均存在差別，如表7所示。從表7可看出，酒店和醫院類建筑的房間功能較多樣，其負荷白天較大，夜間較小，持續性較強；商場和辦公類建筑的房間功能相對單一，其負荷主要集中在白天，夜間幾乎為零，持續性較弱，并在一天內存在間歇性。住宅類建筑的負荷受人員生活作息影響，其負荷白天一般較小，晚上較大，持續性較弱。

       五類典型建筑在五個代表城市的全年峰值負荷指標及空調季峰值負荷指標分布如圖2所示。從圖2可看出，整體而言，建筑的負荷峰值指標變化趨勢為商場>酒店>醫院>辦公>住宅。

圖2  五類建筑在不同代表城市的負荷峰值指標
表7  五類建筑的負荷特性

       4.2 氣候區對負荷特性的影響

       因室外氣象參數及空調季時間不同，同一類型建筑冷熱負荷累積量相差比較大，典型氣候區典型建筑的全年累計冷熱負荷不平衡率及空調季累計冷熱負荷不平衡率如圖3所示。

       由圖3可看出，受氣候區的氣象參數影響，嚴寒地區（哈爾濱）冬季氣溫偏低，且供暖季較長，該氣候區五類典型建筑的熱負荷偏大，整體上建筑全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷的不平衡率較高；寒冷地區（北京）四季分明，該氣候區五類典型建筑存在冷負荷偏大或熱負荷偏大，整體上建筑全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷不平衡率較低。夏熱冬冷地區（武漢）夏季供冷時間較長，冬季供暖時間較短，該氣候區五類典型建筑的冷負荷偏大，整體上建筑全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷不平衡率較高。

圖3  建筑全年及空調季累計負荷不平衡率

5 結論

       本文通過DeST軟件模擬五個代表城市中五類典型建筑的全年動態逐時負荷，可得出如下結論：

       （1）酒店和醫院類建筑的房間功能較多樣，其負荷白天較大，夜間較小，持續性較強；商場和辦公類建筑的房間功能相對單一，其負荷主要集中在白天，夜間幾乎為零，持續性較弱，并在一天內存在間歇性。住宅類建筑的負荷受人員生活作息影響，其負荷白天一般較小，晚上較大，持續性較弱。

       （2）通過對五類建筑的全年峰值負荷及空調季峰值負荷分析，建筑的峰值負荷變化趨勢為商場>酒店>醫院>辦公>住宅。

       （3）通過對五類建筑的全年累計冷熱負荷和空調季累計冷熱負荷的不平衡率分析，嚴寒地區（哈爾濱）五類典型建筑的熱負荷偏大，全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷不平衡率較高；夏熱冬冷地區（武漢）五類典型建筑冷負荷偏大，全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷不平衡率也較高；寒冷地區（北京）五類典型建筑的全年累計冷熱負荷及空調季累計冷熱負荷不平衡率較低。

參考文獻 

       [1] 賈亞北,王勇.土壤源熱泵系統熱平衡問題的探討[J].制冷與空調（四川）,2011,25(z1):6-10
       [2] 賈亞北.典型氣候區典型建筑土壤源熱泵系統蓄能不平衡率分析[D].重慶大學,2013
       [3] 王恩琦,張方方,趙強等.冷熱負荷不平衡對地埋管換熱性能的影響及相關措施的比較分析[J].暖通空調,2013,43(11):95-99
       [4] 錢程,徐偉,朱清宇等.基于建筑負荷特性的地埋管地源熱泵系統適用性研究[J].暖通空調,2016,46(3):94-97

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。