土壤源熱泵仿真建模及運(yùn)行研究

范波

（美的暖通設(shè)備有限公司中央空調(diào)研發(fā)中心）

土壤源熱泵仿真建模及運(yùn)行研究

范波

（美的暖通設(shè)備有限公司中央空調(diào)研發(fā)中心）

本文在太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)各部分仿真模型的基礎(chǔ)上，利用質(zhì)量守衡和能量守衡的原理，將太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、地下埋管換熱器及其它仿真模型聯(lián)系起來，建立了太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，并編制了相應(yīng)的系統(tǒng)仿真軟件，將其應(yīng)用于青島市某一工程實(shí)例中，分別針對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行方式和靜態(tài)運(yùn)行方式進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，結(jié)果顯示熱泵機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行方式下的平均制熱性能系數(shù)COPh值較其在靜態(tài)運(yùn)行方式下的COPh值高。

太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)；仿真模型；運(yùn)行模式；能耗

1 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)

太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)包括太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、地下埋管換熱器、蓄熱水箱和空調(diào)末端裝置等部件，這些部件模型通過參數(shù)連接而構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)模型。

1.1 系統(tǒng)的部件仿真模型

1.1.1 U型地埋管仿真模型

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

式中：T為埋管內(nèi)流體的平均溫度；Tground為土壤的原始溫度；r為溫度點(diǎn)半徑，m；rb是孔壁半徑，m；α土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h。

式中：J0、J1和Y0、Y1分別為第一和第二類貝塞爾函數(shù)。G可由下式計(jì)算得到：

1.1.2 水-水熱泵機(jī)組仿真模型

熱泵機(jī)組是太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)下式和樣本資料可以擬合熱泵機(jī)組的制熱量和耗電量：

式中：tei為冷凍水入口溫度；tci為冷卻水入口溫度；QH為熱泵機(jī)組的制熱量；W為熱泵機(jī)組的耗電量。

1.1.3 太陽能集熱器仿真模型

本文中所用太陽能集熱器為熱管式真空管集熱器，通過式（6）～（10）的數(shù)學(xué)模型，可得其熱效率方程：

式中：FR為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，是集熱器實(shí)際的有用能量與假想吸熱板溫度為工質(zhì)進(jìn)口溫度時(shí)的有用能量之比。當(dāng)n根真空管連接在同一根集管上時(shí)，每根真空管所對(duì)應(yīng)集管段的出口溫度將是下一根真空管所對(duì)應(yīng)集管段的進(jìn)口溫度。可以推導(dǎo)出n根真空管情況下的FR計(jì)算式：

式中：Ap為集熱器的有效集熱面積，m2；Ag為集熱器的采光面積，m2；Ac為集熱器熱管蒸發(fā)段面積，m2；UL為集熱器總熱損系數(shù)，W/m2·℃；F為集熱器效率因子；m為集熱介質(zhì)流量，kg/s；c為集熱介質(zhì)比熱，J/kg·℃；hc為集熱器熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)，可由有關(guān)文獻(xiàn)查到測試數(shù)據(jù)。

集管工質(zhì)進(jìn)出口溫度Ti、T0為熱管式真空管集熱器的瞬時(shí)效率方程，則有：

1.2 工程實(shí)例分析

本文對(duì)青島市某住宅建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。建筑面積240m2，空調(diào)面積210m2，該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為：

（1）屋面：預(yù)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(nèi)刷防瓷涂料；

（3）內(nèi)墻：24磚墻；

（4）窗：雙層鋁合金窗；

（5）門：單層木質(zhì)內(nèi)門。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下，冬季室外空調(diào)計(jì)算溫度-9℃，相對(duì)濕度64%。冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：正常運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度40%。選用山東某設(shè)備公司生產(chǎn)的水-水地源熱泵機(jī)組，機(jī)組額定制冷量9kW，制熱量11kW，壓縮機(jī)的額定功率3.02kW，制冷實(shí)用工況冷卻水流量1.15～1.60m3/h，制熱實(shí)用工況冷凍水流量0.92～1.28m3/h。考慮到系統(tǒng)長期運(yùn)行土壤熱平衡及太陽能輔助加熱和太陽輻射不穩(wěn)定等問題，所設(shè)計(jì)的U型地下埋管換熱器的總長為220m，地下埋管的深度為55m，鉆孔為2個(gè)，系統(tǒng)的太陽能集熱器集熱面積取10m2，經(jīng)計(jì)算本系統(tǒng)采用9組φ70mm×1800mm的10管式熱管真空管太陽能集熱器。考慮到太陽輻射的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中加入蓄熱水箱，蓄熱水箱的容積為2m3，水箱內(nèi)盤管的尺寸d32×2.5mm，總長為30m，導(dǎo)熱系數(shù)為320W/（m·K）。

[1]楊衛(wèi)波，董華，周恩澤，等.太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式的研究[J].流體機(jī)械，2004，32（2）：41～49.

TU831.3

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1004-7344（2016）17-0191-01

2016-6-1