王命仁

摘 要：本文在土壤源熱泵系統(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)用于某一工程實(shí)例中，針對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；運(yùn)行模式；能耗

一、引言

地下土壤溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定（約為12～20℃），冬季比外界環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源；因此，土壤源熱泵的性能系數(shù)較高，系統(tǒng)運(yùn)行性能較穩(wěn)定，具有明顯的節(jié)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(dǎo)或在制冷工況下向土壤中釋放的熱量來得到補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了土壤能源資源的內(nèi)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(duì)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(tài)，用戶對(duì)能源的需求量處于高峰期時(shí)，土壤的溫度并不處于極端狀態(tài)，而仍能提供較高的蒸發(fā)溫度與較低的冷凝溫度，從而可獲得較高的熱泵性能系數(shù)，提供較多的熱量與冷量。土壤源熱泵根據(jù)埋地?fù)Q熱盤管地下敷設(shè)形式的不同及是否有輔助冷熱源而可分為閉式系統(tǒng)、開式系統(tǒng)、直接膨脹式系統(tǒng)及混合式系統(tǒng)。

本文對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)中的熱泵機(jī)組、地下埋管換熱器等分別進(jìn)行建模，并采用EnergyPlus軟件計(jì)算建筑物負(fù)荷，建立了土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，基于仿真模型分析了土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

二、土壤源熱泵系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)的部件仿真模型。（1） 熱泵機(jī)組仿真模型。熱泵機(jī)組是土壤源熱泵系統(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：

（2）U型地埋管仿真模型。地埋管換熱器根據(jù)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(nèi)的流體流動(dòng)與土壤進(jìn)行換熱，豎直鉆孔用封井材料填實(shí)。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(duì)U型地埋換熱器的實(shí)際傳熱過程進(jìn)行簡化，根據(jù)傳熱方程得出方程的解析解，再通過修正參數(shù)對(duì)理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行修正。另一種為數(shù)值解，根據(jù)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(duì)方程進(jìn)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(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：

（二）工程實(shí)例分析。（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%。熱泵機(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1.15～1.60

m3/h，制熱實(shí)用工況冷凍水流量0.92～1.28m3/h。所設(shè)計(jì)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(gè)，參數(shù)如下所示，通過仿真軟件建立仿真模型。

（三）系統(tǒng)運(yùn)行性能計(jì)算分析。按照上述計(jì)算公式，熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP值為3.12，地下埋管吸熱總量為12477kWh。

結(jié)論：本文根據(jù)某一工程建立了土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，在冬季供暖工況下，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行了研究，可得熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP值為3.12，地下埋管吸熱總量為12477kWh。

參考文獻(xiàn)：

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