供暖季土壤源熱泵系統運行分析

摘 要：本文在土壤源熱泵系統各部分仿真模型的基礎上，利用質量守衡和能量守衡的原理，將熱泵機組、地下埋管換熱器及其它仿真模型聯系起來，建立了土壤源熱泵系統仿真模型，并編制了相應的系統仿真軟件，將其應用于某一工程實例中，針對系統的運行方式和進行了仿真模擬計算。

關鍵詞：土壤源熱泵；運行模式；能耗

一、引言

地下土壤溫度一年四季相對穩定（約為12～20℃），冬季比外界環境空氣溫度高，夏季比環境溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源；因此，土壤源熱泵的性能系數較高，系統運行性能較穩定，具有明顯的節能效果。土壤有較好的蓄能特性，冬季從土壤中取出的熱量在夏季可通過地面向地下的熱傳導或在制冷工況下向土壤中釋放的熱量來得到補充，土壤源熱泵“冬取夏灌”的這種能量利用方式在一定程度上實現了土壤能源資源的內部平衡。埋地盤管無需除霜，減小了融霜、除霜的能量損失。土壤溫度相對于室外氣溫具有延遲和衰減性，因此，在室外空氣溫度處于極端狀態，用戶對能源的需求量處于高峰期時，土壤的溫度并不處于極端狀態，而仍能提供較高的蒸發溫度與較低的冷凝溫度，從而可獲得較高的熱泵性能系數，提供較多的熱量與冷量。土壤源熱泵根據埋地換熱盤管地下敷設形式的不同及是否有輔助冷熱源而可分為閉式系統、開式系統、直接膨脹式系統及混合式系統。

本文對土壤源熱泵系統中的熱泵機組、地下埋管換熱器等分別進行建模，并采用EnergyPlus軟件計算建筑物負荷，建立了土壤源熱泵系統仿真模型，基于仿真模型分析了土壤源熱泵系統的運行模式。

二、土壤源熱泵系統

（一）系統的部件仿真模型。（1） 熱泵機組仿真模型。熱泵機組是土壤源熱泵系統的重要組成部分，根據下式和樣本資料可以擬合熱泵機組的制熱量和耗電量：

（2）U型地埋管仿真模型。地埋管換熱器根據其埋管方式的不同主要分為水平埋管和垂直埋管兩種方式，其中垂直埋管換熱器可分為套管式地下埋管換熱器及豎直U型管地下埋管換熱器，垂直U型管地下埋管換熱器通過地表下豎直鉆孔中U型管內的流體流動與土壤進行換熱，豎直鉆孔用封井材料填實。垂直U型地埋管換熱器的模型模擬為兩種，一種為解析解，即假定條件，對U型地埋換熱器的實際傳熱過程進行簡化，根據傳熱方程得出方程的解析解，再通過修正參數對理論計算的結果進行修正。另一種為數值解，根據能量平衡方程和邊界條件建立傳熱過程的偏微分方程，并對方程進行離散，采用有限元或有限差分的方法求出傳熱量和溫度分布。已有的地下埋管換熱器的模擬方法包括了：Ingersoll，kavanaugh、Shonder和

Beck等方法。

圓柱源理論由Carslaw和Jaeger提出，Ingersoll等人對其作了近一步闡述。該模型將U型埋管等價于一根圓管，該模型可直接得到圓柱孔洞壁面與土壤遠邊界之間的溫差，其恒定熱流情況下的圓柱源分析解為：

（二）工程實例分析。（1）屋面：預制鋼筋混凝土樓板，加50mm厚水泥蛭石板保溫；（2）外墻：37磚墻，內刷防瓷涂料；（3）內墻：24磚墻；（4）窗：雙層鋁合金窗；（5）門：單層木質內門

該系統的設計參數如下，冬季室外空調計算溫度-9℃，相對濕度64%。冬季室內設計參數：正常運行時，室內溫度20℃，相對濕度40%。熱泵機組額定制冷量9kW，制熱量11kW，壓縮機的額定功率3.02kW，制冷實用工況冷卻水流量1.15～1.60

m3/h，制熱實用工況冷凍水流量0.92～1.28m3/h。所設計的U型地下埋管換熱器的總長為220米，地下埋管的深度為55m，鉆孔為2個，參數如下所示，通過仿真軟件建立仿真模型。

（三）系統運行性能計算分析。按照上述計算公式，熱泵機組性能系數COP值為3.12，地下埋管吸熱總量為12477kWh。

結論：本文根據某一工程建立了土壤源熱泵系統仿真模型，在冬季供暖工況下，對系統的運行模式進行了研究，可得熱泵機組性能系數COP值為3.12，地下埋管吸熱總量為12477kWh。

參考文獻：

[1] Phetteplace， G and W. Sullivan Performance of a hybrid GCHP system[J].ASHRAE transactions 1998， 104（1）：763～770