北京市勘察设计研究院有限公司 刘启明 高朋 刘嘉 李向虎
【摘 要】地埋管地源热泵系统取热量和放热量的平衡对地埋管地源热泵系统长期稳定运行尤为重要，其系统取热量和放热量均取决于建筑物的冷热负荷。本文采用DeST软件对典型气候区典型建筑的全年逐时负荷进行模拟并分析其特性，酒店和医院建筑的负荷稳定性较差，持续性较强，商场、住宅和办公类建筑负荷稳定性较强，持续性较弱；严寒地区和夏热冬冷地区全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷的不平衡率较高，而寒冷地区不平衡率较低。
【关键词】建筑负荷、DeST软件、气候区、典型建筑
1 引言
地埋管地源热泵是利用热泵技术将浅层地热能用于满足建筑物冷热负荷需求。地埋管地源热泵将夏季建筑物产生的热量排放至土壤中，而冬季则从土壤中提取热量传递至建筑物中。地埋管地源热泵系统取热量和放热量的平衡是保证其长期稳定运行的关键[1]。而地埋管地源热泵系统的取热量和放热量又取决于建筑物的冷热负荷，因此，建筑物的冷热负荷是影响地埋管地源热泵运行稳定及适用性的重要因素，故本文对建筑物的负荷特性进行研究。
我国地域辽阔，根据建筑热工特性，分为五类典型气候区（严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区）。五类典型气候区因其气象参数不同，对建筑负荷特性具有一定影响。建筑物根据其使用功能，围护结构、人员密度、照明设备功率等设计参数存在差异，建筑类型对建筑的冷热负荷也存在一定影响[2-4]。故本文对典型气候区典型建筑负荷特性进行研究，采用建筑全年动态逐时负荷模拟软件DeST模拟典型气候区典型建筑负荷，并分析其负荷特性。
2 DeST模型建立及参数设定
在典型气候区中分别选取典型代表城市，其代表城市的气象参数如表1所示。根据建筑功能，选取酒店、商场、住宅、办公和医院作为典型建筑进行研究。
表1 典型气候区代表城市
表2 典型气候区建筑物围护结构热工性能表
根据《公共建筑节能设计标准》和《实用供热空调设计手册》，对典型气候区建筑物围护结构参数和建筑的人员、照明和设备等内扰参数、空调设计参数进行设置，典型气候区建筑物围护结构设置参数如表2所示，五类典型建筑的人员、照明和设备等内扰设置参数及空调设计参数如表3所示，其DeST模型如图1所示。
图1 五类典型建筑的DeST模型
3 模拟结果
3.1 建筑全年逐时负荷模拟结果
本文对五类典型气候区五类典型建筑进行全年逐时负荷模拟，鉴于五类典型建筑的面积不同，五类典型建筑的全年负荷峰值指标及全年累计负荷指标如表4所示。
表3 典型建筑的内扰参数及空调设计参数表
表4 典型气候区典型建筑全年负荷模拟结果
注：全年负荷峰值指标是指单位面积下全年峰值负荷；全年累计负荷峰值是指单位面积下全年累计负荷。
3.2 建筑空调季逐时负荷模拟结果
建筑空调系统的制冷、供暖天数的长短以及具体日期的确定，对建筑空调季的冷、热负荷峰值及冷、热负荷累计量具有较大影响。本文根据室外干球温度制定出典型气候分区代表城市的制冷和供暖季，具体规定如下：
（1）日平均温度高于25℃的起止日期规定为制冷季；
（2）日平均温度小于5℃的起止日期规定为供暖季；
（3）其余时间为过渡季。
根据以上规定，五个代表城市的制冷季、供暖季的具体时间如表5所示，由表5可知，哈尔滨、北京和武汉地区的制冷天数和供暖天数存在差异，广州地区只有制冷季，冬季无供暖季，昆明地区没有制冷季和供暖季，无制冷和供暖需求。鉴于此，地埋管地源热泵在夏热冬暖地区（广州）和温和地区（昆明）无从应用，故本文不再对五类典型建筑在夏热冬暖地区和温和地区的负荷特征进行讨论。根据代表城市制冷季和供暖季的划分，进而可得出五类典型建筑在五个代表城市的制冷负荷和供暖负荷分布情况。五类典型建筑在五个代表城市的空调季峰值负荷指标及空调季累计负荷指标如表6。
表5 代表城市的制冷季和供暖季划分
表6 典型气候区典型建筑空调季负荷模拟结果
注：空调季负荷峰值指标是指单位面积下空调季峰值负荷；空调季累计负荷指标是指单位面积下空调季累计负荷。
4 结果分析
4.1 建筑类型对负荷特性的影响
由于建筑的功能、人员的在室率、设备和照明的使用率等因素，不同的建筑，负荷稳定性、持续性等均存在差别，如表7所示。从表7可看出，酒店和医院类建筑的房间功能较多样，其负荷白天较大，夜间较小，持续性较强；商场和办公类建筑的房间功能相对单一，其负荷主要集中在白天，夜间几乎为零，持续性较弱，并在一天内存在间歇性。住宅类建筑的负荷受人员生活作息影响，其负荷白天一般较小，晚上较大，持续性较弱。
五类典型建筑在五个代表城市的全年峰值负荷指标及空调季峰值负荷指标分布如图2所示。从图2可看出，整体而言，建筑的负荷峰值指标变化趋势为商场>酒店>医院>办公>住宅。
图2 五类建筑在不同代表城市的负荷峰值指标
表7 五类建筑的负荷特性
4.2 气候区对负荷特性的影响
因室外气象参数及空调季时间不同，同一类型建筑冷热负荷累积量相差比较大，典型气候区典型建筑的全年累计冷热负荷不平衡率及空调季累计冷热负荷不平衡率如图3所示。
由图3可看出，受气候区的气象参数影响，严寒地区（哈尔滨）冬季气温偏低，且供暖季较长，该气候区五类典型建筑的热负荷偏大，整体上建筑全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷的不平衡率较高；寒冷地区（北京）四季分明，该气候区五类典型建筑存在冷负荷偏大或热负荷偏大，整体上建筑全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷不平衡率较低。夏热冬冷地区（武汉）夏季供冷时间较长，冬季供暖时间较短，该气候区五类典型建筑的冷负荷偏大，整体上建筑全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷不平衡率较高。
图3 建筑全年及空调季累计负荷不平衡率
5 结论
本文通过DeST软件模拟五个代表城市中五类典型建筑的全年动态逐时负荷，可得出如下结论：
（1）酒店和医院类建筑的房间功能较多样，其负荷白天较大，夜间较小，持续性较强；商场和办公类建筑的房间功能相对单一，其负荷主要集中在白天，夜间几乎为零，持续性较弱，并在一天内存在间歇性。住宅类建筑的负荷受人员生活作息影响，其负荷白天一般较小，晚上较大，持续性较弱。
（2）通过对五类建筑的全年峰值负荷及空调季峰值负荷分析，建筑的峰值负荷变化趋势为商场>酒店>医院>办公>住宅。
（3）通过对五类建筑的全年累计冷热负荷和空调季累计冷热负荷的不平衡率分析，严寒地区（哈尔滨）五类典型建筑的热负荷偏大，全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷不平衡率较高；夏热冬冷地区（武汉）五类典型建筑冷负荷偏大，全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷不平衡率也较高；寒冷地区（北京）五类典型建筑的全年累计冷热负荷及空调季累计冷热负荷不平衡率较低。
参考文献
[1] 贾亚北,王勇.土壤源热泵系统热平衡问题的探讨[J].制冷与空调（四川）,2011,25(z1):6-10
[2] 贾亚北.典型气候区典型建筑土壤源热泵系统蓄能不平衡率分析[D].重庆大学,2013
[3] 王恩琦,张方方,赵强等.冷热负荷不平衡对地埋管换热性能的影响及相关措施的比较分析[J].暖通空调,2013,43(11):95-99
[4] 钱程,徐伟,朱清宇等.基于建筑负荷特性的地埋管地源热泵系统适用性研究[J].暖通空调,2016,46(3):94-97
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
