影響地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷特征和特性參數(shù)

2.1地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷分析對于傳統(tǒng)空調(diào)，負(fù)荷分析的主要目的在于如何進行空調(diào)方案以及空調(diào)設(shè)備的優(yōu)化選擇［鎬）。對于地源熱泵系統(tǒng)，其原理是將室內(nèi)的冷熱量排放到大地中，通過季節(jié)轉(zhuǎn)換從大地吸熱或排熱。其主要組成部分一地下?lián)Q熱器的工作性能直接與其承擔(dān)的負(fù)荷特征有關(guān)，在地源熱泵系統(tǒng)中，其負(fù)荷的特征影響到地下?lián)Q熱器的換熱性能［49】，對擬采用地源熱泵的工程進行負(fù)荷分析，其目的不僅僅是為設(shè)備選型服務(wù)，更重要的是分析地下?lián)Q熱器是否能長期正常運行，尤其是不同建筑的負(fù)荷特征作用下地源熱泵系統(tǒng)是否能適應(yīng)。因此，冷熱負(fù)荷的特性是構(gòu)建地源熱泵系統(tǒng)以及性能分析的前提，事關(guān)實際工程中地源熱泵方案的可行性，其特性分析要比傳統(tǒng)空調(diào)更為重要。2.2地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的動態(tài)特征量針對地源熱泵的可行性和運行性能的變化，其動態(tài)負(fù)荷特征從工程實際應(yīng)用出發(fā)，提出以下三個特征量來描述，歷年負(fù)荷總量的累積特性、負(fù)荷強度的變化性以及負(fù)荷持續(xù)性。2.2.1負(fù)荷總量的累積特性負(fù)荷總量的概念是指地源熱泵的使用時間內(nèi)，為了維持室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，要求地源熟泵系統(tǒng)排放給大地或從大地提取熱量的總和。對于地源熱泵系統(tǒng)，室內(nèi)的多余冷熱量是通過地下?lián)Q熱器排放給大地。由于地下?lián)Q熱器與大地的換熱狀態(tài)是一種不穩(wěn)定傳熱。熱量的排放是以換熱器為中心逐漸向周圍巖土擴散；熱量的提取是以換熱器為中心，從周圍巖土逐漸匯集。從前期的研究看［.501，隨著負(fù)荷總量即排放總量的增加，熱量大量聚集在換熱器附近的巖土中，熱量的擴散更加緩慢，地下?lián)Q熱器換熱能力是持續(xù)衰減的。地下?lián)Q熱器換熱能力的恢復(fù)，要依靠從周圍巖土中將熱量提取出來，反之亦然。如果歷年累積的冷熱負(fù)荷總量存在差異，并隨使用時間的增加而累積起來，最終會使地源熱泵難以正常運行。因此，負(fù)荷總量的累積特征對地源熱泵系統(tǒng)影響很大，甚至可能是決定地源熱泵系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素。圖2.1表征了3種典型的負(fù)荷總量累積變化特征。第1種是平衡型，若工程是冬季開始投入使用，地源熱泵從大地提取熱量，地下?lián)Q熱器周圍巖土中的熱量逐漸減少，溫度逐漸降低取熱條件逐漸惡化，地源熱泵能效比逐漸下降，直到取熱結(jié)束。過渡季后，轉(zhuǎn)為夏季排熱。冬季的取熱為夏季排熱創(chuàng)造了良好的條件，地源熱泵排熱初期的能效比很高。排熱使地下?lián)Q熱器周圍巖土中的熱量逐漸增加，溫度逐漸回升，排熱條件逐漸惡化，能效比下降到排熱結(jié)束。過渡季后，又將轉(zhuǎn)為冬季取熱工況。若此時夏季的累積排熱總量與上一個冬季累積的取熱總量相等。換熱器周圍巖土的熱量和溫度將恢復(fù)為原狀。若每年均如此，負(fù)荷總量變化曲線如圖2.1中的曲線①，始終零總負(fù)荷線下波動。每年觸及1次零總負(fù)荷線，但不跨越零總負(fù)荷線。如果工程是夏季開始投入使用，則總負(fù)荷線在零總負(fù)荷線上波動，每年觸及1次零總負(fù)荷線，但也不跨越零總負(fù)荷線，如圖2.1中的曲線④。顯然。冬季開始投入使用的工程，有利夏季的季節(jié)能效比的提高；夏季開始投入使用的工程，有利冬季的季節(jié)能效比的提高。這時在實際工程中，某一年負(fù)荷總量變化曲線可能向上或向下跨越零總負(fù)荷線。但必須在這一年后不長的時間內(nèi)由相反的方向跨越零總負(fù)荷線，保持歷年負(fù)荷總量累積曲線始終在零總負(fù)荷線上下波動。這樣的負(fù)荷總量變化特征，表明地源熱泵可能長期有效運行。第2種負(fù)荷總量變化特征是累積排熱型。仍以工程是冬季開始投入使用為例進行分析。冬季的取熱使負(fù)荷總量變化曲線從零總負(fù)荷線下降，到冬季結(jié)束時曲線下降到最低點，隨后的過渡季中，曲線水平伸展。到夏季排熱時，曲線轉(zhuǎn)而上升，若夏季排熱總量超過冬季取熱總量，曲線將向上跨越零總負(fù)荷線，下一個冬季的取熱可能使曲線向下跨越零總負(fù)荷線，但由于取熱量小于前一個夏季的排熱量，曲線沒有降到前一個冬季所達到的最低點。隨后又一個夏季的排熱，曲線再次向上跨越零總負(fù)荷線，并超過前一個夏季上升的高度。隨著逐年的累積，負(fù)荷總量累積曲線越來越偏離零總負(fù)荷線，向上攀升，如圖2.1中的曲線②。這意味著地下?lián)Q熱器周圍巖土中累積的熱量逐漸增加，溫度逐漸上升，地源熱泵排熱的能效比逐年下降，最終不能運行。這種情況下必須采取措施增加取熱量，將累積排熱型調(diào)整為平衡型，才能實現(xiàn)地源熱泵的長期持續(xù)使用。圖2J歷年負(fù)荷總量累積曲線第3種負(fù)荷總量變化特征是累積取熱型。在這種負(fù)荷總量變化特征下長期運行，負(fù)荷總量累積曲線將逐年向下偏離零總負(fù)荷線，如圖2.1中的③。這意味著地下?lián)Q熱器周圍巖土溫度逐年下降，使地源熱泵取熱的能效比逐年下降，最終仍不能運行。調(diào)整的關(guān)鍵措施是增加排熱。上述分析表明，負(fù)荷總量的累積，決定了地源熱泵系統(tǒng)的使用壽命，實際工程中，若不能消除累積取熱型、累積排熱型負(fù)荷總量變化特征，是不能采用地源熱泵的，因此可用累積熱量作為表征負(fù)荷總量變化性的特征參數(shù)。如圖2.1中的①和④的歷年累積熱量為零，而曲線②的4年累積熱量為7GJ；6年累積排熱量為17GJ。曲線的③的4年累積熱量為13GJ；6年累積排熱量為20GJ。曲線①和④的工程項目適宜采用地源熱泵，曲線②和③的工程項目不宣采用地源熱泵。2.2.2負(fù)荷強度的變化特性對于地源熱泵系統(tǒng)，負(fù)荷強度的概念是單位時間內(nèi)為了維持要求的室內(nèi)環(huán)境，需要地源熱泵系統(tǒng)排放給大地或從大地吸取的熱量。負(fù)荷強度的變化性可以分為日負(fù)荷強度變化特性、周負(fù)荷強度變化性、季節(jié)負(fù)荷強度變化性等。概念之間的區(qū)別主要在于考察變化性時間范圍的不同，時刻負(fù)荷的變化量是表征負(fù)荷強度變化性的尺度。負(fù)荷強度變化特性的特性參數(shù)用負(fù)荷強度的峰谷比土表示，其定義為在地源熱泵系統(tǒng)的某持續(xù)運行時間段內(nèi)，其峰值時刻負(fù)荷，與低谷時刻負(fù)荷qL的比值，即：q=qHqL在持續(xù)運行時間段內(nèi)，負(fù)荷強度的峰谷比Rq越接近1,表示負(fù)荷穩(wěn)定，對地源熱泵地下?lián)Q熱器的影響容易評估。對于日負(fù)荷強度變化特性用一日內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)的運行時間段內(nèi)的負(fù)荷峰值與該日內(nèi)運行時間段內(nèi)的低谷負(fù)荷的比值來表征；周負(fù)荷強度變化性、季節(jié)負(fù)荷強度變化性特征參數(shù)對應(yīng)的時間段即為一周和一個運行季節(jié)。負(fù)荷強度變化特性分析的目的在于工程的需要。如果自一次運行結(jié)束后，第二次運行前有一段停止運行的時間，使地下?lián)Q熱器周圍巖土溫度能夠恢復(fù)到接近初始狀態(tài)（即換熱器周圍巖土溫度降低或升高到運行前巖土的初始溫度，這個時間過程稱為換熱器巖土溫度的恢復(fù)期），則主要進行日負(fù)荷強度變化特性分析；如果一日內(nèi)不含恢復(fù)期，一周內(nèi)地下?lián)Q熱器具有恢復(fù)期，使可能使第二周運行前地下?lián)Q熱器能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，這就應(yīng)進行周負(fù)荷強度變化性分析；如果周期運行內(nèi)仍不能恢復(fù)，這就應(yīng)進行季節(jié)負(fù)荷強度變化性分析。分析定義負(fù)荷強度的目的是為分析一個周期內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)的能效服務(wù)，它考慮了在該時間段內(nèi)的負(fù)荷的具體變化。以日負(fù)荷強度為例，由于一天內(nèi)室外氣象參數(shù)和室內(nèi)使用情況的變化，地源熱泵的負(fù)荷值也相應(yīng)變化。有時很高，有時很低，甚至在某些時間段內(nèi)，地源熱泵負(fù)荷可能為零。將一天24小時的地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷進行逐時統(tǒng)計，可得到日負(fù)荷強度變化曲線。2.2.3負(fù)荷的持續(xù)性對于一個特定的建筑，在確定了室內(nèi)設(shè)計參數(shù)后，地源熱泵負(fù)荷是隨時刻動態(tài)變化的。在某些時刻負(fù)荷大，在某些時刻負(fù)荷減小，甚至在某些時間段內(nèi)負(fù)荷為零。地源熱泵地下?lián)Q熱器的換熱狀態(tài)有兩種情況，一種是換熱器處于運行狀態(tài)，即換熱器內(nèi)流體處于流動傳熱，室內(nèi)余熱或余冷持續(xù)作用在換熱器上；另一種情況是換熱器停止運行，即換熱器內(nèi)流體狀態(tài)處于靜態(tài)，以停止運行前的熱狀態(tài)和巖土進行傳熱，室內(nèi)無余熱或余冷作用換熱器。在這兩種狀態(tài)下，換熱器的傳熱狀態(tài)是不同的。存在這兩種情況的換熱器實際處于間歇運行狀態(tài)。系統(tǒng)不同的運行時間和不同的停機時間，對換熱器的影響是不同的。因此，對于地源熱泵系統(tǒng)，討論負(fù)荷強度的變化性很重要。在實際運行過程中，當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時，設(shè)備設(shè)定的感知參數(shù)達到設(shè)備的停機條件，設(shè)備停機。停機后地下?lián)Q熱器處于一種恢復(fù)狀態(tài)。這種恢復(fù)期狀態(tài)持續(xù)的時間越長，對于地下?lián)Q熱器高能效運行越有利。如果系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)，地下?lián)Q熱器處于連續(xù)換熱狀態(tài)，當(dāng)運行時間達到一定程度時，地下?lián)Q熱器的換熱能力到達一個極限值，如果負(fù)荷時間繼續(xù)延長，地下?lián)Q熱器的換熱性能開始惡化，并隨時間的持續(xù)進一步降低，當(dāng)持續(xù)時間到達巖土溫度和進水溫度接近時，換熱器已無換熱能力。系統(tǒng)的啟停狀態(tài)直接決定換熱器的換熱能力，因此，負(fù)荷的持續(xù)性所決定的設(shè)備啟停狀態(tài)是影響地源熱泵的重要因素。負(fù)荷的持續(xù)性，由負(fù)荷持續(xù)時間（等于地源熱泵機組不間斷地持續(xù)運行的時間乙）以及負(fù)荷的中斷時間（等于地源熱泵機組兩次連續(xù)運行之間的停機時間工）來表達，其特性參數(shù)是負(fù)荷持續(xù)系數(shù)二tatb。-己越大，負(fù)荷的持續(xù)性越強。負(fù)荷的持續(xù)系數(shù)可分為一日內(nèi)的負(fù)荷持續(xù)系數(shù)，一周內(nèi)的負(fù)荷持續(xù)系數(shù)和一個天氣過程中的負(fù)荷持續(xù)系數(shù)。負(fù)荷總量和負(fù)荷強度既有聯(lián)系，又有區(qū)別。負(fù)荷總量表征的重點是冷熱量的總量，該總量是所研究的時間段內(nèi)的負(fù)荷疊加值，但該參數(shù)無法體現(xiàn)在該時間段內(nèi)的負(fù)荷變化。而負(fù)荷強度卻緊密的把負(fù)荷的持續(xù)時間和狀態(tài)聯(lián)系起來。在相同負(fù)荷時間下，相對同一建筑，負(fù)荷強度的逐時疊加值和負(fù)荷總量在數(shù)值上相等。但兩者對地下?lián)Q