土壤源熱泵仿真建模及運行研究

范波

（美的暖通設備有限公司中央空調研發中心）

土壤源熱泵仿真建模及運行研究

范波

（美的暖通設備有限公司中央空調研發中心）

本文在太陽能-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，將太陽能集熱器、熱泵機組、地下埋管換熱器及其它仿真模型聯系起來，建立了太陽能-土壤源熱泵系統仿真模型，并編制了相應的系統仿真軟件，將其應用于青島市某一工程實例中，分別針對系統的動態運行方式和靜態運行方式進行了仿真模擬計算，結果顯示熱泵機組動態運行方式下的平均制熱性能系數COPh值較其在靜態運行方式下的COPh值高。

太陽能-土壤源熱泵系統；仿真模型；運行模式；能耗

1 太陽能-土壤源熱泵系統

太陽能-土壤源熱泵系統包括太陽能集熱器、熱泵機組、地下埋管換熱器、蓄熱水箱和空調末端裝置等部件，這些部件模型通過參數連接而構成整個系統模型。

1.1 系統的部件仿真模型

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：

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

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

1.1.2 水-水熱泵機組仿真模型

熱泵機組是太陽能-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：

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

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）的數學模型，可得其熱效率方程：

式中：FR為集熱器熱轉移因子，是集熱器實際的有用能量與假想吸熱板溫度為工質進口溫度時的有用能量之比。當n根真空管連接在同一根集管上時，每根真空管所對應集管段的出口溫度將是下一根真空管所對應集管段的進口溫度。可以推導出n根真空管情況下的FR計算式：

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為集熱器熱管蒸發段面積，m2；UL為集熱器總熱損系數，W/m2·℃；F為集熱器效率因子；m為集熱介質流量，kg/s；c為集熱介質比熱，J/kg·℃；hc為集熱器熱管蒸發段傳熱系數，可由有關文獻查到測試數據。

集管工質進出口溫度Ti、T0為熱管式真空管集熱器的瞬時效率方程，則有：

1.2 工程實例分析

本文對青島市某住宅建筑進行設計分析。建筑面積240m2，空調面積210m2，該建筑圍護結構為：

（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%。選用山東某設備公司生產的水-水地源熱泵機組，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1.15～1.60m3/h，制熱實用工況冷凍水流量0.92～1.28m3/h。考慮到系統長期運行土壤熱平衡及太陽能輔助加熱和太陽輻射不穩定等問題，所設計的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，系統的太陽能集熱器集熱面積取10m2，經計算本系統采用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定性，在系統中加入蓄熱水箱，蓄熱水箱的容積為2m3，水箱內盤管的尺寸d32×2.5mm，總長為30m，導熱系數為320W/（m·K）。

[1]楊衛波，董華，周恩澤，等.太陽能-土壤源熱泵系統聯合運行模式的研究[J].流體機械，2004，32（2）：41～49.

TU831.3

A

1004-7344（2016）17-0191-01

2016-6-1