闭环地源热泵系统模型与仿真

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1、闭环地源热泵系统模型与仿真山东建筑工程学院曲云霞方肇洪张林华西安建筑科技大学李安桂摘要：地源热泵系统的特性主要由两部分决定：一是地热换热器的长度和配置，二是与之相匹配的热泵机组的性能，因此建立地热换热器和热泵机组的耦合传热模型是进行地源热泵系统性能研究的重点。由于地热换热器所涉及的传热过程的复杂性，地热换热器的传热模型仍是国内外闭环地源热泵系统研究工作的重点。作者近年来在地热换热器传热模型方面进行了一些有创新性的研究：提出了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型;另外，采用顺序模块法建立了热泵机组的数学模型;通过能量平衡关系式，建立了地源热泵系统的动态模型。利用系

2、统模型可以模拟在不同地热换热器长度及配置情况下，系统能耗、制冷量性能系数等。通过试验验证表明，该系统模型预测结果与试验比较吻合，预测水温与实测结果最大相对误差不超过5%，制冷量或制热量最大误差不超过10%。关键词：地源热泵准三维模型仿真1．前言由于地源热泵地下换热的影响因素多、设计难度大，基础数据不足，某些参数的选择不当会造成工程造价难以接受，限制了该项技术，所以直到上个世纪80年代后期才在商业、民用建筑的空调系统中采用。最近几年，大量报道反映了国外进行的工作和取得的成果[1]。由于它的环保和节能特点，地源热泵空调系统在国内正在受到越来越多的关注，特别是近几年，国内开始有了地

3、源热泵空调系统的实际工程。因此，地源热泵的设计细节、及其与传统建筑系统匹配的资料很少，对地源热泵工程实例的调研和经验总结是国际上地源热泵研究的一个重要方面。在地源热泵系统中，地热换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是也是该项技术研究的核心和应用的基础。现有的地热换热器设计方法大都基于美国和欧洲对地热换热器的试验研究。国内有关地源热泵的研究重点均放在地热换热器的试验研究上，也分别给出了相关的实验结果。由于缺乏对换热器在土壤中复杂的传热机理的深入研究，使得所得结论只适用于某一具体实验系统，理论性较差，提供的基础数据又较少，因而难于指导实际的工程设计。因此，目前研究的内容之

4、一是建立更接近于实际情况的地热换热器传热模型。众所周知，地源热泵系统的特性主要由两部分决定：一是地热换热器的长度和配置，二是与之相匹配的热泵机组的性能。因此在地热换热器配置已定的情况下，地源热泵系统的性能如何是目前工程中最关心的问题。所以本文的另一个研究内容是建立地热换热器与热泵机组的动态模型，并通过试验验证模型的准确性。2.地热换热器模型综述根据布置形式的不同，闭环地热换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。竖直埋管地热换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地热换热器，通常采用U型埋5图1竖直单U型管地热换热器示意图管的形式。U型埋管地热换热器也就是一个钻孔中布置U

5、型管，再加上回填材料，与周围土壤构成一个整体。一个钻孔中可以设置单组U型管，也可以设置两组U型管。竖直埋管占地面积小，传热效率高，在工程中得到了广泛的应用，本文主要以工程中应用最广的单U型管为例，详见图1。由于地热换热器所涉及的传热过程的复杂性，地热换热器的传热模型仍是国内外闭环地源热泵系统研究工作的重点。有关地热换热器的传热，迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。国际上现有的传热模型大体上可分为两大类。第一类是以热阻概念为基础的解析解模型，第二类方法以离散化数值计算为基础的数值解模型。第一类模型采用Kelvin的线热源模型或无限长圆柱模型[2]。这类半经验方法概念简单明了，容

6、易为工程技术人员接受，因此在工程中得到一定的应用。其缺点是各热阻项的计算做了大量简化假定[3]，模型过于简单，能够考虑的因素有限，特别是难于考虑冷、热负荷随时间的变化、全年中冷热负荷的转换和不平衡等较复杂的因素。第二类方法以离散化数值计算为基础的传热模型，可以考虑接近现实的情况，采用有限元或有限差分法求解地下的温度响应并进行传热分析。但是由于地热换热器传热问题涉及的空间范围大、几何配置复杂，同时负荷随时间变化，时间跨度长达十年以上，因此若用这种分析方法按三维非稳态问题求解实际工程问题将耗费大量的计算机时间，在当前的计算条件下直接求解工程问题几乎是不可能的。这种方法在目前还只适

7、合于在一定的简化条件下进行研究工作中的参数分析，而不适合于做大型的多钻孔的地热换热器的传热模拟，更不适合用作工程设计和优化。3.竖直单U型管地热换热器模型的建立3.1钻孔内准三维模型的建立在研究地源热泵系统性能时，由于时间跨度比较小，因此钻孔内回填材料热物性、钻孔几何尺寸等都对地源热泵系统的性能有重要影响。以往的一维模型和二维模型中，由于对钻孔内结构进行了简化，即将两根U型管简化为一根，并假定U型管内流体温度为定值，无法得到钻孔内流体温度随钻孔深度的变化以及两根U型管之间引起的热短路情况。因此模型与实际