北京市勘察設(shè)計(jì)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(tǒng)取熱量和放熱量的平衡對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，其系統(tǒng)取熱量和放熱量均取決于建筑物的冷熱負(fù)荷。本文采用DeST軟件對(duì)典型氣候區(qū)典型建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行模擬并分析其特性，酒店和醫(yī)院建筑的負(fù)荷穩(wěn)定性較差，持續(xù)性較強(qiáng)，商場(chǎng)、住宅和辦公類(lèi)建筑負(fù)荷穩(wěn)定性較強(qiáng)，持續(xù)性較弱；嚴(yán)寒地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)全年累計(jì)冷熱負(fù)荷及空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷的不平衡率較高，而寒冷地區(qū)不平衡率較低。

       【關(guān)鍵詞】建筑負(fù)荷、DeST軟件、氣候區(qū)、典型建筑

1 引言

       地埋管地源熱泵是利用熱泵技術(shù)將淺層地?zé)崮苡糜跐M(mǎn)足建筑物冷熱負(fù)荷需求。地埋管地源熱泵將夏季建筑物產(chǎn)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(tǒng)取熱量和放熱量的平衡是保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵^[1]。而地埋管地源熱泵系統(tǒng)的取熱量和放熱量又取決于建筑物的冷熱負(fù)荷，因此，建筑物的冷熱負(fù)荷是影響地埋管地源熱泵運(yùn)行穩(wěn)定及適用性的重要因素，故本文對(duì)建筑物的負(fù)荷特性進(jìn)行研究。

       我國(guó)地域遼闊，根據(jù)建筑熱工特性，分為五類(lèi)典型氣候區(qū)（嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)）。五類(lèi)典型氣候區(qū)因其氣象參數(shù)不同，對(duì)建筑負(fù)荷特性具有一定影響。建筑物根據(jù)其使用功能，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員密度、照明設(shè)備功率等設(shè)計(jì)參數(shù)存在差異，建筑類(lèi)型對(duì)建筑的冷熱負(fù)荷也存在一定影響^[2-4]。故本文對(duì)典型氣候區(qū)典型建筑負(fù)荷特性進(jìn)行研究，采用建筑全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷模擬軟件DeST模擬典型氣候區(qū)典型建筑負(fù)荷，并分析其負(fù)荷特性。

2 DeST模型建立及參數(shù)設(shè)定

       在典型氣候區(qū)中分別選取典型代表城市，其代表城市的氣象參數(shù)如表1所示。根據(jù)建筑功能，選取酒店、商場(chǎng)、住宅、辦公和醫(yī)院作為典型建筑進(jìn)行研究。

表1 典型氣候區(qū)代表城市

表2  典型氣候區(qū)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能表

       根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì)典型氣候區(qū)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和建筑的人員、照明和設(shè)備等內(nèi)擾參數(shù)、空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，典型氣候區(qū)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置參數(shù)如表2所示，五類(lèi)典型建筑的人員、照明和設(shè)備等內(nèi)擾設(shè)置參數(shù)及空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，其DeST模型如圖1所示。

圖1 五類(lèi)典型建筑的DeST模型

3 模擬結(jié)果

       3.1  建筑全年逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果

       本文對(duì)五類(lèi)典型氣候區(qū)五類(lèi)典型建筑進(jìn)行全年逐時(shí)負(fù)荷模擬，鑒于五類(lèi)典型建筑的面積不同，五類(lèi)典型建筑的全年負(fù)荷峰值指標(biāo)及全年累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)如表4所示。

表3 典型建筑的內(nèi)擾參數(shù)及空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4  典型氣候區(qū)典型建筑全年負(fù)荷模擬結(jié)果

       注：全年負(fù)荷峰值指標(biāo)是指單位面積下全年峰值負(fù)荷；全年累計(jì)負(fù)荷峰值是指單位面積下全年累計(jì)負(fù)荷。

       3.2 建筑空調(diào)季逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果

       建筑空調(diào)系統(tǒng)的制冷、供暖天數(shù)的長(zhǎng)短以及具體日期的確定，對(duì)建筑空調(diào)季的冷、熱負(fù)荷峰值及冷、熱負(fù)荷累計(jì)量具有較大影響。本文根據(jù)室外干球溫度制定出典型氣候分區(qū)代表城市的制冷和供暖季，具體規(guī)定如下：

       （1）日平均溫度高于25℃的起止日期規(guī)定為制冷季；

       （2）日平均溫度小于5℃的起止日期規(guī)定為供暖季；

       （3）其余時(shí)間為過(guò)渡季。

       根據(jù)以上規(guī)定，五個(gè)代表城市的制冷季、供暖季的具體時(shí)間如表5所示，由表5可知，哈爾濱、北京和武漢地區(qū)的制冷天數(shù)和供暖天數(shù)存在差異，廣州地區(qū)只有制冷季，冬季無(wú)供暖季，昆明地區(qū)沒(méi)有制冷季和供暖季，無(wú)制冷和供暖需求。鑒于此，地埋管地源熱泵在夏熱冬暖地區(qū)（廣州）和溫和地區(qū)（昆明）無(wú)從應(yīng)用，故本文不再對(duì)五類(lèi)典型建筑在夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的負(fù)荷特征進(jìn)行討論。根據(jù)代表城市制冷季和供暖季的劃分，進(jìn)而可得出五類(lèi)典型建筑在五個(gè)代表城市的制冷負(fù)荷和供暖負(fù)荷分布情況。五類(lèi)典型建筑在五個(gè)代表城市的空調(diào)季峰值負(fù)荷指標(biāo)及空調(diào)季累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)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(qū)典型建筑空調(diào)季負(fù)荷模擬結(jié)果

       注：空調(diào)季負(fù)荷峰值指標(biāo)是指單位面積下空調(diào)季峰值負(fù)荷；空調(diào)季累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)是指單位面積下空調(diào)季累計(jì)負(fù)荷。

4 結(jié)果分析

       4.1 建筑類(lèi)型對(duì)負(fù)荷特性的影響

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

       五類(lèi)典型建筑在五個(gè)代表城市的全年峰值負(fù)荷指標(biāo)及空調(diào)季峰值負(fù)荷指標(biāo)分布如圖2所示。從圖2可看出，整體而言，建筑的負(fù)荷峰值指標(biāo)變化趨勢(shì)為商場(chǎng)>酒店>醫(yī)院>辦公>住宅。

圖2  五類(lèi)建筑在不同代表城市的負(fù)荷峰值指標(biāo)
表7  五類(lèi)建筑的負(fù)荷特性

       4.2 氣候區(qū)對(duì)負(fù)荷特性的影響

       因室外氣象參數(shù)及空調(diào)季時(shí)間不同，同一類(lèi)型建筑冷熱負(fù)荷累積量相差比較大，典型氣候區(qū)典型建筑的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率及空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率如圖3所示。

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

圖3  建筑全年及空調(diào)季累計(jì)負(fù)荷不平衡率

5 結(jié)論

       本文通過(guò)DeST軟件模擬五個(gè)代表城市中五類(lèi)典型建筑的全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷，可得出如下結(jié)論：

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

       （2）通過(guò)對(duì)五類(lèi)建筑的全年峰值負(fù)荷及空調(diào)季峰值負(fù)荷分析，建筑的峰值負(fù)荷變化趨勢(shì)為商場(chǎng)>酒店>醫(yī)院>辦公>住宅。

       （3）通過(guò)對(duì)五類(lèi)建筑的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷和空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷的不平衡率分析，嚴(yán)寒地區(qū)（哈爾濱）五類(lèi)典型建筑的熱負(fù)荷偏大，全年累計(jì)冷熱負(fù)荷及空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率較高；夏熱冬冷地區(qū)（武漢）五類(lèi)典型建筑冷負(fù)荷偏大，全年累計(jì)冷熱負(fù)荷及空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率也較高；寒冷地區(qū)（北京）五類(lèi)典型建筑的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷及空調(diào)季累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率較低。

參考文獻(xiàn) 

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國(guó)·三門(mén)峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。