地表水源热泵水温模型与水温模拟分析

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1、地表水源热泵水温模型与水温模拟分析南京工业大学赵坚刘金祥摘要本文用热量平衡法建立地表水源热泵水温模型，利用经典Runge-Kutta数值法模拟水温，同时结合工程实例，对水温模拟结果进行分析．结果表明：地表水源热泵的排热量占地表水与外界的各项换热量绝对值总和的1％，本工程地表水源热泵对水体温度的影响较小．同时，本工程水体水温的变化幅度比气温小，目机纽运行期间水温明显低于气温，因此地表水源热泵比风冷热泵运行更稳定，更节能·．关键词地表水泺热泵水温模型模拟数值法1引言地表水水温直接关系到地表水源热泵机组效率，关系到空调系统的经济性，甚至会影响地

2、表水源热泵系统在当地区的推广．但是目前有关江、河、海水水温监测数据公开发表的场合很少，国内尚未建立针对地表水源热泵空调系统设计专用的水温资料数据库m。对于天然和人工水域自然水温的计算目前有两种方法，一种是根据实测资料建立水温与气温回归方程来求水温，文献[2_4]通过此方法建立水温公式，该方法计算简单，但是精度较差；另一种是采用热量平衡建立水温数学模型来求水温，这种方法具有一定的普遍性，精度也较高，但计算较复杂。对于使用地表水源热泵系统的水体，水温除了受到自然因素的影响外，还要受到热泵机组夏季排热、冬季吸热的影响，因此本文采用后者建立水温模

3、型求水温。2地表水源热泵水温数学模型有关实验数据证明，浅层河流、湖泊等垂向水温的分布可以近似认为是均匀的网，因此本文假设水体垂直方向无温度梯度，建立水温数学模型如下：。d'r∥y寻=Q=瓯一Q0(1)‘玎式中疋为水体温度，℃；才为时间，s；d，yd舌为水体温度对时间的导数；p为水的密度，kg／m3；岛为水的比热，J／kg·℃；矿为水体的体积，m3；砬为总热量，W；艮为流入水体热量，W：“。为流出水体热量，W。对于使用地表水源热泵系统的水体，地表水与外界的热交换主要包括(见图1)：太阳辐射、大气长波辐射、水体的长波辐射、水体的蒸发、与空气的

4、对流换热、与大地的传热和热泵机组的排(吸)热。为简化模型，本文忽略水体与大地的传热(因为这部分换热量相对较小)，同时相关计算公式参考文献[7】。太阳辐射大气长波辐射未体的长菠辐射永体的蒸发与空气的)lI流挟热热泵帆组的捧(吸)热圈l地衰水与外界的热交换圈注：图中双向箭头表示：当气温(大地)温度高于水温时．热量流入水体，反之流出水体．272。2007年全国通风技术交流大会论文集(1)太阳短波辐射QmQ埘=QxO—r,)xA(W)(2)式中么一总辐射量，W／m2；r广反射率，取0．1；^——水体表面积，m2。(2)大气长波辐射么血艮=(1一q

5、)xo'xe,x(273+T,．)4xA㈣(3)式中岔——长波反射率，取0．03；G----Stefan-BoRzman常数，为5．67×10"SW／m2·一：露一室外气温，℃；甜—_大气的发射率；乞=乞×(1+蜀C2)，E0=1-0．261xexp(-O．74x10"4T,,2)式中CL—云层覆盖比例：弘—诹O．17。(3)水体的长波辐射艮瓯=o'x8．x(273+Tw)‘xA㈣(4)式中w——-水面的长波发射率，取0．97；％_水体温度，℃。(4)水体的蒸发么Q=加×(巳一e．)xa㈣(5)式中加—一用风速表示的函数．W／m2·mmH

6、g；r紧靠水面的空气饱和蒸发压力，mmHg；甜——水面上方空气的蒸气压力，mmI-Ig，当e．．-ea<0时，Q。=o。加=9．2+0．蛳：2．乞=exp[20．85-5278／(T,+273．3)】、Pb=8066血醐0326889-7．235425磋％一言》8．51n黑-0．00571133(100一瓦)273．16+￡”只=9×忍，乞=￡x1000／(13．6xlOOOx9．8)式中w,-------lg速，m／s；———空气中水蒸气的分压力，Pa；Pb．一同温度下饱和水蒸气压力嘲，Pa；矿-相对湿度．(5)与空气的对流换热么Q=0

7、．47加×瓯一瓦)xA(聊@热泵机组的排(吸)热妯％=蜴x(COP+I)ICOP(vo(6)(7)式中魏——建筑冷(热)负荷，W；．CD卜——热泵机组平均性能系数；士——夏季取+，冬季取一；g=kxFx亿一瓦)，七=乃×F，(F×(乙。一瓦))式中七一以建筑面积为准的平均传热系数jW／m2·℃；F一—吨筑面积，m?；％●一室内设计温度，℃；鼋r—·冷(热)负荷指标，W／m2；死I-_一室外计算温2007卑全国通风技术交流大会论文集273度，℃。联列以上3个式子，得到热泵机组的排(吸)热Qb与室外气温瓦的关系·∽总热量QzQ=(!乙+Q。一

8、Q0—2一Q±Q：睁)C吩(8)式中±——夏季取+，冬季取一．，3公式整理与数值计算程序框架图3．1公式整理根据热量计算式中是否含唷冰温瓦将它们分成两项，联列式(1H，8)将式(1理疆洳下皇鲁