摘要：作為一種節能的空調系統，地源熱泵系統已廣泛應用于各種類型的工業與民用建筑。本文結合蘇州德威國際學校的地源熱泵系統設計，闡述了一種基于動態負荷分析的設計方法，并對系統夏季的運行控制提供依據。
關鍵詞：動態負荷分析 地源熱泵系統
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
中圖分類號： N945.23 文獻標識碼：A 文章編號：
一、工程概況
蘇州德威國際學校位于蘇州工業園區，分為教學樓和宿舍兩個主要建筑單體。總建筑面積約為26400平米。其中教學樓為地下一層，地上四層，總建筑面積為20419.19平米;宿舍為地上五層，建筑面積為5933.39平米。校園內有總面積約為12000平米的橄欖球場，足球場和籃球場。教學樓一層有一個1000平米左右的游泳池。根據學校空調系統，生活熱水使用的特點，結合當地的燃氣，蒸汽等能源價格，經技術分析比較，設計院建議業主采用地源熱泵系統，滿足學校的空調和熱水的需求。
二、全年動態負荷計算
教學樓的主要圍護結構參數：外墻(含非透明幕墻)傳熱系數0.78 W/(m2.K);外窗(含透明幕墻)傳熱系數3.00 W/(m2.K);屋頂傳熱系數0.49 W/(m2.K)
宿舍樓的主要圍護結構參數：外墻(含非透明幕墻)傳熱系數0.93 W/(m2.K);外窗(含透明幕墻)傳熱系數3.00 W/(m2.K);屋頂傳熱系數0.69 W/(m2.K)
采用HDY-SMAD空調負荷計算及分析軟件(能耗分析版)V3.8對教學樓和宿舍樓進行動態負荷進行計算，全年逐時負荷變化曲線圖如下(下圖扣除寒假12月11日至1月2日，暑假6月25日至8月22日的逐時冷負荷。)：
1)教學樓全年動態冷熱負荷：
注：教學樓全年動態負荷計算的限定條件為：運行時間范圍為每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日，8：00～17：00。
根據全年動態負荷圖，可知在限定的時間內，教學樓的全年制冷負荷累計1552.8MW.H，全年制熱負荷累計1074.5MW.H。
2)宿舍樓冷熱負荷：
注：宿舍樓全年動態負荷計算的限定條件為：運行時間范圍為每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日，18：00～7：00。
根據全年動態負荷圖，可知在限定的時間內，教學樓的全年制冷負荷累計120.4MW.H，全年制熱負荷累計185.8MW.H。
3)教學樓加宿舍樓的冷熱負荷疊加：
注：全年動態負荷計算的限定條件為：宿舍樓的運行時間范圍為每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日18：00～6：00。教學樓的運行時間范圍為每年1月3日至6月24日和8月23日至12月10日7：00～17：00。
根據全年動態負荷圖，可知在限定的時間內，教學樓的全年制冷負荷累計1673.2MW.H，全年制熱負荷累計1259.96MW.H。
三、土壤總得熱量與失熱量計算
地源熱泵空調機組制冷時的平均效率為EER=5.93，制熱時的平均效率為COP=3.79，地源熱泵熱水機組全年產熱水時的平均效率為COP=3.47。
由全年的冷熱負荷及機組的效率可知，建筑物供冷時全年向地下的累計排熱量為1955.3MW.H;建筑物供熱時全年向地下的累計吸熱量為：927.4MW.H;生產熱水時全年向地下的累計吸熱量為：432.54MW.H。
由此可知土壤的全年累計得熱量為1955.3MW.H,累計吸熱量為1354.5MW.H，土壤的累計得熱量比吸熱量多600.8MW.H，因此需配備冷卻塔。
四、地下熱平衡分析
根據土壤的總得熱量和總吸熱量計算結果，下面分別采用以下兩種運行情況進行分析比較。
(1)該系統冬季熱負荷及熱水的生產全部采用地源熱泵，夏季優先采用冷卻塔系統，地埋管作為夏季調峰用，參見下圖：
根據上圖可知，若夏季優先使用冷卻塔，全年總熱負荷為：1354.5MW.H(含熱水)，全年冷卻塔的總冷負荷為1307.57MW.H，全年地源熱泵總冷負荷為598.43MW.H，根據機組的效率，土壤在冬季的失熱量為1354.5MW.H，夏季的得熱量為598.43MW.H。不平衡率為：
ξ=(1354.5-598.43)÷1354.5
=55.82%
該種運行模式使地下溫度場的變化比較大，不利于地下熱平衡，會破壞土壤的溫度場。
(2)該系統冬季熱負荷及熱水的生產全部采用地源熱泵，夏季優先采用地埋管系統，冷卻塔作為夏季調峰用，參見下圖：
根據上圖可知，若夏季優先使用地源熱泵，全年總熱負荷為：1354.5MW.H(含熱水)，全年地源熱泵的總冷負荷為1307.57MW.H，全年冷卻塔的總冷負荷為598.43MW.H，根據機組的效率，土壤在冬季的失熱量為1354.5MW.H，夏季的得熱量為1307.57MW.H。不平衡率為：
ξ=(1354.5-1307.57)÷1354.5
=3.46%
該種運行模式使地下溫度場在短時間內基本保持不變，長年運行會使地下溫度發生改變。
五、地源熱泵空調和熱水系統
根據空調計算峰時負荷和生活熱水峰時負荷及冷卻塔的散熱負荷選擇地源熱泵空調機組和地源熱泵熱水機組和冷卻塔，系統流程圖見下圖。
六、系統運行模式及地下溫度場分析
根據地下熱平衡的分析，采用夏季優先使用地埋管系統，冷卻塔作為調峰的方案。系統運行后，夏季均采用地源熱泵進行調峰，每年3.46%的不平衡率可以通過大地的自修復能力達到平衡，可保證地下溫度場長年達到熱平衡。
若地埋管布置形式為：鉆井294口井，每口井間距為5m，每口井深為120m。系統運行模式為夏季均采用地源熱泵進行調峰，到了第七年冬季結束時，地下溫度升高0.06℃，溫度變化曲線參照下圖：
上圖是以工程竣工后夏季優先運行，到了第七年冬季結束時，地下溫度升高0.06℃，到第七年的冬季(圖中14點)土壤的溫度升高0.06℃，地下溫度場基本保持不變。
七、結論
1.運用空調負荷分析軟件對建筑物進行全年逐時負荷計算分析，有助于地源熱泵空調系統設備的正確選型。
2.對土壤熱平衡的分析有助于確定夏季地埋管散熱系統和冷卻塔的運行時間分配，改善土壤熱平衡情況，延長地源熱泵空調系統的使用壽命。
參考文獻：
1. 《地源熱泵冷熱源機房設計與施工》 國家建筑標準設計圖集06R115
2. 《地源熱泵系統工程技術規范》 GB50366-2005
3. 《全國民用建筑工程設計技術措施 暖通空調 動力》2009年版
