土壤源热泵仿真建模及运行研究

范波

（美的暖通设备有限公司中央空调研发中心）

土壤源热泵仿真建模及运行研究

范波

（美的暖通设备有限公司中央空调研发中心）

本文在太阳能-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，将太阳能集热器、热泵机组、地下埋管换热器及其它仿真模型联系起来，建立了太阳能-土壤源热泵系统仿真模型，并编制了相应的系统仿真软件，将其应用于青岛市某一工程实例中，分别针对系统的动态运行方式和静态运行方式进行了仿真模拟计算，结果显示热泵机组动态运行方式下的平均制热性能系数COPh值较其在静态运行方式下的COPh值高。

太阳能-土壤源热泵系统；仿真模型；运行模式；能耗

1 太阳能-土壤源热泵系统

太阳能-土壤源热泵系统包括太阳能集热器、热泵机组、地下埋管换热器、蓄热水箱和空调末端装置等部件，这些部件模型通过参数连接而构成整个系统模型。

1.1 系统的部件仿真模型

1.1.1 U型地埋管仿真模型

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：

式中：T为埋管内流体的平均温度；Tground为土壤的原始温度；r为温度点半径，m；rb是孔壁半径，m；α土壤的导温系数，m2/h。

式中：J0、J1和Y0、Y1分别为第一和第二类贝塞尔函数。G可由下式计算得到：

1.1.2 水-水热泵机组仿真模型

热泵机组是太阳能-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：

式中：tei为冷冻水入口温度；tci为冷却水入口温度；QH为热泵机组的制热量；W为热泵机组的耗电量。

1.1.3 太阳能集热器仿真模型

本文中所用太阳能集热器为热管式真空管集热器，通过式（6）～（10）的数学模型，可得其热效率方程：

式中：FR为集热器热转移因子，是集热器实际的有用能量与假想吸热板温度为工质进口温度时的有用能量之比。当n根真空管连接在同一根集管上时，每根真空管所对应集管段的出口温度将是下一根真空管所对应集管段的进口温度。可以推导出n根真空管情况下的FR计算式：

式中：Ap为集热器的有效集热面积，m2；Ag为集热器的采光面积，m2；Ac为集热器热管蒸发段面积，m2；UL为集热器总热损系数，W/m2·℃；F为集热器效率因子；m为集热介质流量，kg/s；c为集热介质比热，J/kg·℃；hc为集热器热管蒸发段传热系数，可由有关文献查到测试数据。

集管工质进出口温度Ti、T0为热管式真空管集热器的瞬时效率方程，则有：

1.2 工程实例分析

本文对青岛市某住宅建筑进行设计分析。建筑面积240m2，空调面积210m2，该建筑围护结构为：

（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%。选用山东某设备公司生产的水-水地源热泵机组，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1.15～1.60m3/h，制热实用工况冷冻水流量0.92～1.28m3/h。考虑到系统长期运行土壤热平衡及太阳能辅助加热和太阳辐射不稳定等问题，所设计的U型地下埋管换热器的总长为220m，地下埋管的深度为55m，钻孔为2个，系统的太阳能集热器集热面积取10m2，经计算本系统采用9组φ70mm×1800mm的10管式热管真空管太阳能集热器。考虑到太阳辐射的不稳定性，在系统中加入蓄热水箱，蓄热水箱的容积为2m3，水箱内盘管的尺寸d32×2.5mm，总长为30m，导热系数为320W/（m·K）。

[1]杨卫波，董华，周恩泽，等.太阳能-土壤源热泵系统联合运行模式的研究[J].流体机械，2004，32（2）：41～49.

TU831.3

A

1004-7344（2016）17-0191-01

2016-6-1