272基于动态模型的复合式地源热泵冷却塔选型方法介绍及软件实现

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1、基于动态模型的复合式地源热泵冷却塔选型方法介绍及软件实现东南大学陈胜朋沈意成陈振乾*张辉摘要：冷却塔复合式地源热泵空调系统能有效调节地下土壤的热平衡，提高系统的运行特性，同时也可以减少系统的初投资。冷却塔的选型不仅与热泵机组型号有关，而且受地埋管换热器个数、冷却塔的控制方式的影响很大。文中以复合式地源热泵的动态模型为基础介绍了冷却塔的选型方法并编制了相应的可视化应用软件。关键词：复合式地源热泵冷却塔选型可视化应用软件1引言地源热泵空调系统由于其高效、节能、环保的特性，近年来LI益受到人们的重视和推广。在地源热泵的研究和应川过程屮，不同

2、的地理环境和气候条件，若运用不当，地源热泵的优势就未必能得到很好的发挥。以我国为例，在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，地下埋管年排热量大于其吸热量。随着时间的累积，势必降低热泵机组性能。将地源热泵与英它形式的散热（吸热）设备相结合，弥补了单独采用地源热泵在这些地区应用上的缺陷，同时可以降低系统初投资。冷却塔的选型不仅与热泵机组有关，而U受地埋管换热器个数、冷却塔的控制方式的影响很大。文中以复合式地源热泵的动态模型为基础，介绍了冷却塔的选型方法。该选型方法涉及复合式地源热泵的各组成部件的动态模型，实施起來比较复杂，为此开发了可视化应

3、用软件，为地源热泵技术的推广提供技术支持。2复合地源热泵空调系统模型冷却塔辅助散热复合式地源热泵由地埋管换热器、热泵机组、风机盘管末端装宜、板式换热器、冷却塔和循环水泵等组成。本文分析冷却塔和地埋管换热器的串联方式，同时不考虑板式换热器的换热,以直连简化模型为例进行分析。系统模型如下图：开式冷却塔图1复合地源热泵模型用户负荷Qllser_load、冷却塔负荷Qco_load、地埋管换热器Q+、热泵功率PHP及循环水泵Pp存在以下关系：^userload+卩刖+Pp+Pp2热泵机组乙,随着用户侧负荷Qw圖和性能系数c©川ij变化，存在

4、以下关系:Qitserloadcop3.复合式地源热泵空调系统各部件模型3.1负荷模型建筑的动态负荷不仅取决建筑自身的结构及使川状况，而与建筑物所在地的气彖条件密切相关。关于建筑空调负荷动态模拟研究有很多，清华大学DeST软件通过深入研究气彖数据模拟生成全年逐时气象数据的气象模型一Medpha,其基础数据来源于我国194个气象台站建站以来约50年的实测逐时数据(包括气温、湿度、太阳辐射、风速风向、日照小时数和人气压力)，同时考虑建筑维护结构、室内各种热扰，能有效预测建筑的动态负荷⑴。本软件不对建筑动态负荷做额外的研究，当作建筑的已知设

5、计参数來对待。可采JIJDeST软件模拟建筑物的动态负荷，只需调川所在地的气彖参数，输入建筑物的结构参数和负荷扰动就町以求得建筑全年逐时动态负荷值。3.2热泵模型根据复杂难易及经验程度,热泵模型可以分为两个极端情况：即方程拟合模型与确定性模⑵；确定性模型是分别建立各部件的数学模型，然麻通过相互之间的耦合关系建立起机组的系统模型；方程拟合模型则把将热泵系统看作一个黑箱，系统性能通过一个或多个方程來表示，这些方程本身并不涉及系统内部复杂的传热、传质过程及各部件的具体结构参数。对于本系统來说，为了分析系统能耗，无需考虑热泵机组内部复杂的工作

6、过程，可以把热泵机组的cop看做冷却水进口温度的单值函数：cop=f(THPin)(4)3.3地埋管换热器模型地埋管换热器模型采用Ingersol在1954年提出的圆柱源分析解模型⑵，为了求得地埋管换热器的流体出口温度，钻孔壁温是非常重要的参数，解析解如下：小―严弭G(Fo,"(5)△7；为孔洞壁面与土壤初始温度的温差，°C；为埋管热流量，W；H为钻孔深度，m；入为土壤导热系数，W/(m.°C)；7；分别为土壤初始温度，°C；G(Fo,l)为理论积分解G函数实际运行过程屮，地埋管换热器从土壤屮的取(放)热量常常是随建筑负荷而不断变化的

7、，将上述方程按具冇不同热流的时间段來分别求解，然后进行叠加，就町以用來表示关于一系列不同时刻具冇不同热流的阶跃负荷在无限人介质屮产牛•的温度响应。叠加原理是将某时刻以前各时间段埋管取(放)热对的作用影响都叠加到该时刻，则右时刻的应该由2」,2,2,2,3共同来决定，根据叠加原理有：些=^[g(Fo”p)-G(FOf，p)]+^[g(Fo”，p)-G("eP)]+^G(Fo—m)⑹SSI由此可以计算变热流负荷下任一时刻的地埋管换热器的钻孔壁温，只要能够计算出埋管内流体至孔洞壁面间的传热热阻，便可由下式确定出埋管内流体的平均温度，即：忽略

8、各接触面的接触热阻,U型埋管孔洞内的换热过程包括三个阶段:换热器管内的対流换热过程、U型管壁的导热过程及钻孔内回填物的导热过程。三个阶段分别对应着三个热阻，即管内流体与管内壁之间的对流换热热阻、管壁的导热热阻、灌浆材料的