摘要：根据圆柱源理论，建立起了耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型，该模型可用于长期运行的地源热泵系统的短时间运行特性模拟。探讨了模拟过程中有关参数的确定方法，并运用所建模型对地源热泵的冬季和夏季运行特性进行了模拟。土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响,回填材料也在一定程度上,制约着地源热泵的运行特性;适当增加埋管长度,或者采用复合地源热泵的系统形式,将有效改善地源热泵系统的循环性能。运行特性模拟与实验数据的验证结果表明，所建模型可以对地源热泵的运行特性做出符合实际的预测。
关键词：地源热泵；运行特性；模拟
1 前言
就目前的现状而言，地源热泵还没有获得和空气源热泵一样的广泛应用，其原因，一方面可归结为地源热泵较高的投资成本和需要一定的场地要求；另外一方面，可归结为迄今为止还缺乏一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。地源热泵的运行模拟和年能耗分析的难点在于以下两方面的原因:地下埋管的换热是一种十分复杂的不稳态传热现象，地下埋管的安装几何特性、一地下土壤特性、回填材料特性都对地下埋管的热量交换起着重要的影响。其次，地下埋管的热量交换与地面的热泵机组的运行特性又是相互耦合的。热泵的制冷量或制热量依赖于地下埋管换热器与地下土壤的热量交换。反过来，地下埋管换热器的传热特性又依赖于热泵机组自埋管内流体的吸热量或放热量。
地源热泵的模拟研究主要基于“线源理论”和“圆柱源理论”。线源理论仅对真实的线热源才能给出精确的理论解，对于具有一定热容量的地下埋管换热器所得出的结果误差较大，尤其对短时间尺度上的系统行为，不能进行直接的模拟。圆柱源理论将线热源推广到具有一个恒定半径的圆柱热源，得到的分析解具有清晰的物理意义，应用于地下埋管换热器具有比线热源理论更高的模拟精度，因此在地下埋管换热器的模拟研究方面得到了广泛的应用，也是目前大多数数值分析模型的理论基础。本文通过对现有的地源热泵的模拟方法的分析和比较，根据研究的性质和目的，在地源热泵的模拟中，以Bernier模型的分析方法为基础，建立起耦合地下埋管换热器传热和热泵机组特性的模拟模型。
2 地下埋管换热器的传热
2.1 圆柱源理论常热流边界条件计算
对于垂直U型埋管换热器的不稳定传热，经典圆柱源理论假定在埋管井壁与土壤之间的换热是在常热流边界条件下进行的，土壤各项同性，土壤远界未受扰动的原始温度为Tg，埋管井壁温为Tw。经典圆柱源理论分析的主要目标在于确定出土壤温度与埋管井壁温之间的温差△Tg。
2.2 变热流条件下的埋管井壁温计算
地源热泵实际运行时由于地面负荷变化的影响和地下温度变化的影响，埋管井壁的热流并不是恒定的，对于变热流情况，根据圆柱源理论，应用叠加原理，以考虑不同时刻热流对当前时刻温度和热流的影响。
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对于变热流情况，第纵时刻远界土壤温度与埋管井壁温度的差值，根据叠加原理，分析计算表明，计算时刻的热流对该时刻温度的影响起主要作用，而此前各时刻热流的影响相对较小，离开计算时刻越远，其影响越小。
某一时刻的土壤温度与埋管井壁温的温度差值公式的项数等于该时刻自热泵启动以来的时间数，而要获得该时刻的温度差值，必须逐一计算此前各时刻的温度差值和热流值，这将占有大量的计算存储空间和需要大量的计算时间。对于需要全年或更长时期的逐时地源热泵运行特性的模拟，这一计算过程实际上难以进行。
2.3 埋管井壁到流体的传热
从地源热泵运行特性模拟和全年能耗分析的角度看，井内埋管换热器循环流体的平均温度是应确定的主要参数。因为埋管井内回填材料和埋管自身的热容量与埋管井周围土壤相比很小，所以这一区域内的传热问题按稳态问题处理，这一处理方法在目前的许多模型中得到了应用。
埋管内流体至埋管井壁的传热热阻，由三部分组成:管内流体的在管壁面的放热热阻、通过管壁的导热热阻以及回填材料热阻。
3 热泵机组性能
于地源热泵系统而言，冬季，热泵机组蒸发器的吸热量等于埋管内循环介质与土壤之间的传热量；夏季，热泵机组冷凝器的放热量等于埋管内循环介质与土壤之间的传热量。换言之，热泵的运行特性与地下埋管的传热特性是相互偶合的。热泵的循环性能，由冷凝压力和蒸发压力所确定，而热泵运行过程中的蒸发压力和冷凝压力的变化受许多因素的影响，如循环水流量、进出口水温等，其中许多因素又是相互关联和相互影响的。在地源热泵运行特性模拟中，冬季，根据空调系统需要，设定相应的冷凝温度，蒸发温度则随着埋管内介质的循环流量和温度而变化。夏季，则设定蒸发温度不变，冷凝温度随着埋管内循环介质的流量和温度的变化而变化。通过蒸发器或冷凝器的循环介质的流量保持不变时，热泵机组的性能就可以认为仅和埋管换热器的循环介质出口温度有关。
因此，在地源热泵运行特性的模拟时，以地下埋管换热器的出口水温，关联热泵机组和埋管换热器的运行特性，从而实现对整个地源热泵系统的模拟。热泵机组的性能随埋管介质出口温度，即进入蒸发器或冷凝器的循环介质的温度的关系，可由热泵生产厂家提供的热泵性能数据，通过热泵的热力循环分析而得到。
4 结束语
本文依据经典圆柱源理论，所建模型充分考虑了埋管井内热阻和热流变化对计算时刻温度的影响并通过引入负荷累积和热影响主导期时间的概念，在保证模拟精度的前提下，提高了模拟运算效率。模型关联了热泵机组性能和地下埋管换热器特性，因而更符合地源热泵的实际运行状况。
地源热泵运行特性的模拟结果与实验数据具有较高的吻合程度，模拟验证表明，所建立的偶合热泵机组性能和埋管换热器特性的地源热泵的模拟模型可应用于地源热泵系统的方案设计、运行控制策略以及全年能耗分析等方面。
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论文作者:张蓬真
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/22
标签：源热泵论文; 特性论文; 换热器论文; 热泵论文; 温度论文; 热流论文; 井壁论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;