供暖季土壤源热泵系统运行分析

王命仁

摘 要：本文在土壤源热泵系统各部分仿真模型的基础上，利用质量守衡和能量守衡的原理，将热泵机组、地下埋管换热器及其它仿真模型联系起来，建立了土壤源热泵系统仿真模型，并编制了相应的系统仿真软件，将其应用于某一工程实例中，针对系统的运行方式和进行了仿真模拟计算。

关键词：土壤源热泵；运行模式；能耗

一、引言

地下土壤温度一年四季相对稳定（约为12～20℃），冬季比外界环境空气温度高，夏季比环境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源；因此，土壤源热泵的性能系数较高，系统运行性能较稳定，具有明显的节能效果。土壤有较好的蓄能特性，冬季从土壤中取出的热量在夏季可通过地面向地下的热传导或在制冷工况下向土壤中释放的热量来得到补充，土壤源热泵“冬取夏灌”的这种能量利用方式在一定程度上实现了土壤能源资源的内部平衡。埋地盘管无需除霜，减小了融霜、除霜的能量损失。土壤温度相对于室外气温具有延迟和衰减性，因此，在室外空气温度处于极端状态，用户对能源的需求量处于高峰期时，土壤的温度并不处于极端状态，而仍能提供较高的蒸发温度与较低的冷凝温度，从而可获得较高的热泵性能系数，提供较多的热量与冷量。土壤源热泵根据埋地换热盘管地下敷设形式的不同及是否有辅助冷热源而可分为闭式系统、开式系统、直接膨胀式系统及混合式系统。

本文对土壤源热泵系统中的热泵机组、地下埋管换热器等分别进行建模，并采用EnergyPlus软件计算建筑物负荷，建立了土壤源热泵系统仿真模型，基于仿真模型分析了土壤源热泵系统的运行模式。

二、土壤源热泵系统

（一）系统的部件仿真模型。（1） 热泵机组仿真模型。热泵机组是土壤源热泵系统的重要组成部分，根据下式和样本资料可以拟合热泵机组的制热量和耗电量：

（2）U型地埋管仿真模型。地埋管换热器根据其埋管方式的不同主要分为水平埋管和垂直埋管两种方式，其中垂直埋管换热器可分为套管式地下埋管换热器及竖直U型管地下埋管换热器，垂直U型管地下埋管换热器通过地表下竖直钻孔中U型管内的流体流动与土壤进行换热，竖直钻孔用封井材料填实。垂直U型地埋管换热器的模型模拟为两种，一种为解析解，即假定条件，对U型地埋换热器的实际传热过程进行简化，根据传热方程得出方程的解析解，再通过修正参数对理论计算的结果进行修正。另一种为数值解，根据能量平衡方程和边界条件建立传热过程的偏微分方程，并对方程进行离散，采用有限元或有限差分的方法求出传热量和温度分布。已有的地下埋管换热器的模拟方法包括了：Ingersoll，kavanaugh、Shonder和

Beck等方法。

圆柱源理论由Carslaw和Jaeger提出，Ingersoll等人对其作了近一步阐述。该模型将U型埋管等价于一根圆管，该模型可直接得到圆柱孔洞壁面与土壤远边界之间的温差，其恒定热流情况下的圆柱源分析解为：

（二）工程实例分析。（1）屋面：预制钢筋混凝土楼板，加50mm厚水泥蛭石板保温；（2）外墙：37砖墙，内刷防瓷涂料；（3）内墙：24砖墙；（4）窗：双层铝合金窗；（5）门：单层木质内门

该系统的设计参数如下，冬季室外空调计算温度-9℃，相对湿度64%。冬季室内设计参数：正常运行时，室内温度20℃，相对湿度40%。热泵机组额定制冷量9kW，制热量11kW，压缩机的额定功率3.02kW，制冷实用工况冷却水流量1.15～1.60

m3/h，制热实用工况冷冻水流量0.92～1.28m3/h。所设计的U型地下埋管换热器的总长为220米，地下埋管的深度为55m，钻孔为2个，参数如下所示，通过仿真软件建立仿真模型。

（三）系统运行性能计算分析。按照上述计算公式，热泵机组性能系数COP值为3.12，地下埋管吸热总量为12477kWh。

结论：本文根据某一工程建立了土壤源热泵系统仿真模型，在冬季供暖工况下，对系统的运行模式进行了研究，可得热泵机组性能系数COP值为3.12，地下埋管吸热总量为12477kWh。

参考文献：

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