土壤源热泵系统模拟和经济性评估研究
在线源理论的基础上建立了土壤源热泵系统的模拟模型,该模型可以用于土壤源热泵系统的全年运行模拟,预测土壤源热泵系统的能耗情况;对于土壤源热泵系统的经济性评估,提出了地下换热器换热成本的概念,并导出了地下换热器换热成本的通用计算方法。本文中的模型可以对土壤源热泵系统的设计方案进行经济性评估,以便设计人员选取经济性较好的方案。
1、前言
目前,土壤源热泵的设计主要依靠简化的半经验公式进行计算,计算出所需要的钻井长度,这种方法简单实用,但是没有考虑负荷的动态变化,无法知道设计出的钻孔长度是否能够满足或者超过了系统的要求。要解决以上问题,需要引入对土壤源热泵系统进行全年模拟的思路来评估设计方案的经济性。通过全年的运行模拟,可以针对不同地区、不同的建筑类型选取最优的设计方案,使得地下换热器的换热成本是最低的。换热成本包括了地下换热器的初投资和热泵的运行成本,本文将作重点论述。
国内外学者对地源热泵系统模拟做了大量的研究。Jeffrey和Sp itler在圆柱理论下使用短时间步长,提出了负荷累积和负荷主导期的概念,结合trnsys软件对土壤源热泵系统进行了长时间的模拟[1、2] 。王景刚等在圆柱理论的基础上,对地源热泵的换热特性进行了研究,并进行了实验验证,验证了圆柱理论对地源热泵模拟的准确性[3] 。杨卫波和施明基使用线源理论建立了可以用于土壤源热泵系统短期运行模拟的计算模型,并把模拟结果和圆柱理论的计算结果进行了比较,两种方法的计算结果相对误差很小,但所建立的模型需要较长的计算时间,不适合做全年或多年模拟[4] 。影响土壤源热泵系统的初投资和运行成本的因素有很多,主要的影响因素是地下换热器的长度。地下换热器越长,系统的初投资就越大,但是在夏季可以取得较低的地下换热器出水温度,在冬季可以取得较高的出水温度,系统的节能潜力就越大。但是否低下换热器越长,土壤源热泵系统的经济性就越高呢? 由于换热成本的存在,答案是否定的。
本文在线热源理论的基础上,建立了可以用于土壤源热泵系统全年逐时模拟的计算模型。通过本模型,可以直观的预测土壤源热泵系统中的热泵的能耗情况,为土壤源热泵系统的设计和运行控制策略的制定提供参考。在全年能耗模拟的基础上对地下换热器的换热成本进行了分析,提出了一个可以对土壤源热泵系统进行经济性评估的通用计算方法。
5、结语
线热源理论是目前研究地下换热器特性最常用的理论,计算过程简单,计算结果准确,且易于设计人员掌握。本文在线源理论的基础上,把建筑的逐时负荷转化为阶跃矩形热流,通过叠加原理作用到钻井井壁,计算动态负荷下的钻井井壁温度,再通过钻井井壁温度计算U型管的出水温度,并结合热泵的性能曲线,建立了可以对土壤源热泵系统进行全年模拟的计算模型。通过该模型,可以模拟土壤源热泵全年的运行情况,计算出热泵的能效比和耗电量、地下换热器全年的传热量、U型管的逐时出水温度。
对于土壤源热泵系统的经济性评估,本文提出了地下换热器换热成本的概念,结合所建立的土壤源热泵系统的模拟模型,导出了地下换热器换热成本的通用计算方法。通过计算,可以很直观的分析和预测土壤源热泵系统的经济性。本文为土壤源热泵系统设计时的方案评估提供了一种简单而可靠的计算方法,以便设计人员选取经济性较好的设计方案。
参考文献
[1] Yavuzturk C, Sp itler J D. A Short time step response factor model for vertical ground loop heat exchangers[J]. ASHRAE Transactions. 1999, 105 (2) : 4752485.
[2] Sp itler J D,L iu X, Rees J S, et al. Simulation and op timization of ground source heat pump systems[C]. 8 th International Energy Agency Heat Pump Conference,2005.
[3] 王景刚,马太一,张子平,等. 地源热泵的运行特性模拟研究[J]. 工程热物理学报, 2003, 24 (3) : 3612366.
[4] 杨卫波,施明基. 基于线源理论的垂直U型埋管换热器传热模型的研究[J]. 太阳能学报, 2007, 28(5) : 4822488.
[5] Ingersoll L R, Plass H J. Theory of the ground pipe heat source for the heat pump [J]. ASHVE Transactions, 1948, 25 (47) : 3392348.
[6] BemierM. Ground - coup led heat pump system simulation[J]. ASHRAE Transactions, 2001, 107 (1) : 6052616.
[7] M. H. Khan, Varanasi A, Sp itler J D. Hyubrid ground source heat pump system simulation using visual modeling tool for HVZCSIM + [C]. Eighth International IBPSA Conference, 2003,6412648.
[8] Yavuzturk C, Sp itler J D. Comparative study of operating and control strategies for hybrid ground - source heat pump systems using a short time step simulation model [J]. ASHRAE Transactions, 2000, 106 (2) :1922209.
[9] 谢鹂,徐菱虹,胡平放. 混合式地源热泵系统的优化研究[J]. 建筑热能通风空调, 2008, 27 (2) : 53255.
[10] 余跃进,陈正顺. 南京地区混合式地源热泵系统可行性与初投资的探讨[J]. 流体机械, 2008, 36 (8) :70272.
