一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地源熱泵的數(shù)值模擬方法，特別涉及一種U形管地源熱泵的高效的逐 時(shí)數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地源熱泵空調(diào)作為一種利用淺層地?zé)崮艿目稍偕茉醇夹g(shù)，具有高效、節(jié)能、環(huán) 保的優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。我國研宄應(yīng)用起步于上個(gè)世界90年代，目前每年以 20% -25%的速度增長，規(guī)模從中小型建筑轉(zhuǎn)向大型建筑、建筑群、小區(qū)，有的工程達(dá)到幾 十萬平方米，其中豎埋U型管地源熱泵有較多的應(yīng)用。地源熱泵系統(tǒng)包含以下幾大部分：
[0003] 末端空氣處理設(shè)備及風(fēng)機(jī)；
[0004] 負(fù)荷側(cè)水泵，負(fù)責(zé)把熱泵機(jī)組產(chǎn)生的冷熱水輸配到末端設(shè)備處；
[0005] 熱泵機(jī)組，實(shí)現(xiàn)制冷制熱。包含蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)以及膨脹裝置四大部件以 及其他輔助、控制部件；
[0006] 源側(cè)水泵，負(fù)責(zé)在熱泵及地下?lián)Q熱器之間實(shí)現(xiàn)水循環(huán)；
[0007] 地下?lián)Q熱器，夏天把房間熱量轉(zhuǎn)移到地下，冬天從土壤吸取熱量供給房間采暖。
[0008] 地源熱泵空調(diào)與常規(guī)空調(diào)的區(qū)別在于地下?lián)Q熱器，地下?lián)Q熱器具有非穩(wěn)態(tài)、結(jié)構(gòu) 尺寸大、時(shí)間跨度大等特征，其設(shè)計(jì)合理與否是地源熱泵工程成功與否的關(guān)鍵。輸配系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)也會影響整個(gè)系統(tǒng)的能效。地源熱泵主機(jī)必須適應(yīng)相應(yīng)運(yùn)行工況。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段， 對地源熱泵進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，有助于對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估優(yōu)化。
[0009] 由于建筑負(fù)荷逐時(shí)變化，地源熱泵逐時(shí)模擬計(jì)算是最符合實(shí)際的方法。理論上，現(xiàn) 有商業(yè)軟件，如Fluent、ANSYS等三維數(shù)值模擬軟件可以用于地源熱泵地下?lián)Q熱器逐時(shí)非 穩(wěn)態(tài)模擬，但是計(jì)算代價(jià)太大，作為研宄手段尚可，作為工程設(shè)計(jì)計(jì)算手段則不夠?qū)嵱?，?且這類軟件不能模擬整個(gè)熱泵系統(tǒng)。國外TRNSYS是一款強(qiáng)大的瞬時(shí)系統(tǒng)模擬軟件，可以模 擬整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)，其地下?lián)Q熱器模型針對不同埋管結(jié)構(gòu)采用了一些列g(shù)函數(shù)，該g函數(shù) 是在數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上總結(jié)建立的，主要為了提高計(jì)算效率，因此TRNSYS是間接利用了 數(shù)值模型。國內(nèi)"地?zé)嶂?則采用了近似解析模型，但為了保證計(jì)算速度，它沒有進(jìn)行逐 時(shí)計(jì)算，而是以建筑月均負(fù)荷及峰值負(fù)荷為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算；孔群相互影響則采用空間疊加 技術(shù)。
[0010] 考慮工程實(shí)際情況，地源熱泵方案的模擬最好直接基于建筑逐時(shí)負(fù)荷，并且計(jì)算 效率要高，以便快速得到結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模 擬方法。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模 擬方法，包括如下內(nèi)容：
[0013] 一、建立單孔和孔群地下?lián)Q熱器統(tǒng)一的數(shù)值傳熱模型：地下?lián)Q熱器采用統(tǒng)一的柱 坐標(biāo)下的一維數(shù)值模型：模型中換熱孔壁設(shè)置為變熱流邊界；換熱孔遠(yuǎn)邊界設(shè)置為絕熱邊 界；從孔壁到遠(yuǎn)邊界均勻劃分計(jì)算網(wǎng)格，對節(jié)點(diǎn)應(yīng)用能量守恒原理建立離散方程，離散節(jié)點(diǎn) 之間的連接關(guān)系用熱網(wǎng)絡(luò)表示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有熱容，節(jié)點(diǎn)之間用熱阻連接；
[0014] 二、熱泵與地下?lián)Q熱器的耦合模擬計(jì)算：
[0015] 步驟一、讀取當(dāng)前時(shí)步的建筑負(fù)荷；
[0016] 步驟二、判斷建筑負(fù)荷是否為零：若是，則采用數(shù)值模型計(jì)算土壤溫度，然后進(jìn)入 步驟十；若否，則進(jìn)入步驟三；
[0017] 步驟三、假設(shè)熱泵機(jī)組性能系數(shù)EER/COP ;
[0018] 步驟四、計(jì)算地下?lián)Q熱器熱量；
[0019] 步驟五、采用數(shù)值模型計(jì)算土壤溫度；
[0020] 步驟六、計(jì)算進(jìn)出口水溫；
[0021] 步驟七、根據(jù)進(jìn)出口水溫重新計(jì)算EER/COP ;
[0022] 步驟八、判斷步驟七與步驟三的EER/COP的誤差是否在設(shè)定精度內(nèi)：若否，則用 步驟七計(jì)算出的EER/COP代替步驟三假設(shè)的EER/C0P，然后返回步驟四；若是，則進(jìn)入步驟 九；
[0023] 步驟九、計(jì)算水泵、風(fēng)機(jī)、熱泵能耗；
[0024] 步驟十、利用計(jì)算出的土壤溫度更新土壤初始溫度，為下一時(shí)步的計(jì)算做準(zhǔn)備。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：統(tǒng)一數(shù)值模型既可模擬單孔地下?lián)Q熱器 也可模擬孔群，不必采用空間疊加技術(shù)來考慮孔群效應(yīng)；直接采用數(shù)值模型進(jìn)行模擬，既可 以方便利用建筑逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算，準(zhǔn)確性高，又能保證計(jì)算效率高，節(jié)約計(jì)算時(shí) 間。系統(tǒng)模擬步長取3600s，土壤導(dǎo)熱計(jì)算中時(shí)間子步長取60s，空間步長取0. 03m，計(jì)算準(zhǔn) 確性和計(jì)算效率都可保證。
【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0027] 圖1是本發(fā)明熱泵-地下?lián)Q熱器耦合迭代算法的流程圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明采用的地下?lián)Q熱器數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明采用的地下?lián)Q熱器離散節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，包括如下內(nèi)容：
[0031] 一、建立單孔和孔群地下?lián)Q熱器統(tǒng)一的數(shù)值傳熱模型：
[0032] 地下?lián)Q熱器具有非穩(wěn)態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸大、時(shí)間跨度大（1年-30年）等特征，準(zhǔn)確性和 計(jì)算效率是必須考慮的因素。該模型不同于現(xiàn)有軟件中的近似解析模型或g函數(shù)；離散方 程形式也不同于商業(yè)通用軟件中的復(fù)雜的三維有限元或有限體積法數(shù)值模型。其基本思路 是：忽略豎向變換及周向變化，主要考慮徑向溫度變化。地下?lián)Q熱器沿徑向均勻劃分網(wǎng)格， 如圖2所示，對控制體（節(jié)點(diǎn)），應(yīng)用能量守恒原理建立離散方程。離散節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān) 系用圖3所示的熱網(wǎng)絡(luò)表示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有熱容，節(jié)點(diǎn)之間用熱阻連接。
[0033] 地下U形管換熱器采用一種統(tǒng)一的柱坐標(biāo)下的一維數(shù)值模型：該模型中換熱孔 壁設(shè)置為變熱流邊界；換熱孔遠(yuǎn)邊界設(shè)置為絕熱邊界，對于單孔換熱器，遠(yuǎn)邊界半徑可取 5m-10m，對于多孔換熱器，遠(yuǎn)邊界半徑取兩孔間距的一半。該數(shù)值模型從孔壁到遠(yuǎn)邊界均勻 劃分計(jì)算網(wǎng)格，徑向空間步長取〇.〇3m。該模型對每一個(gè)有限體積，基于熱容熱阻式應(yīng)用能 量守恒原理建立離散方程。該模型流體與孔壁通過穩(wěn)態(tài)熱阻連接耦合。該模型系統(tǒng)模擬步 長取3600s，而土壤導(dǎo)熱模擬時(shí)間步長取60s。
[0034] 具體內(nèi)容如下：
[0035] (1)孔壁節(jié)點(diǎn)建模方法：第1個(gè)節(jié)點(diǎn)位于孔壁上，孔壁為變熱流邊界，第1個(gè)節(jié)點(diǎn) 和第2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生導(dǎo)熱。根據(jù)能量守恒原理：邊界流入的熱量減去流向第2個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱量 等于第1個(gè)控制體能量的增加，建立離散方程如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：包括如下內(nèi)容： 一、 建立單孔和孔群地下?lián)Q熱器統(tǒng)一的數(shù)值傳熱模型：地下?lián)Q熱器采用統(tǒng)一的柱坐標(biāo) 下的一維數(shù)值模型：模型中換熱孔壁設(shè)置為變熱流邊界；換熱孔遠(yuǎn)邊界設(shè)置為絕熱邊界； 從孔壁到遠(yuǎn)邊界均勻劃分計(jì)算網(wǎng)格，對節(jié)點(diǎn)應(yīng)用能量守恒原理建立離散方程，離散節(jié)點(diǎn)之 間的連接關(guān)系用熱網(wǎng)絡(luò)表示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有熱容，節(jié)點(diǎn)之間用熱阻連接； 二、 熱泵與地下?lián)Q熱器的耦合模擬計(jì)算： 步驟一、讀取當(dāng)前時(shí)步的建筑負(fù)荷； 步驟二、判斷建筑負(fù)荷是否為零：若是，則采用數(shù)值模型計(jì)算土壤溫度，然后進(jìn)入步驟 十；若否，則進(jìn)入步驟三； 步驟三、假設(shè)熱泵機(jī)組性能系數(shù)EER/COP ; 步驟四、計(jì)算地下?lián)Q熱器熱量； 步驟五、采用數(shù)值模型計(jì)算土壤溫度； 步驟六、計(jì)算進(jìn)出口水溫； 步驟七、根據(jù)進(jìn)出口水溫重新計(jì)算EER/COP ; 步驟八、判斷步驟七與步驟三的EER/COP的誤差是否在設(shè)定精度內(nèi)：若否，則用步驟七 計(jì)算出的EER/COP代替步驟三假設(shè)的EER/COP，然后返回步驟四；若是，則進(jìn)入步驟九； 步驟九、計(jì)算水泵、風(fēng)機(jī)、熱泵能耗； 步驟十、利用計(jì)算出的土壤溫度更新土壤初始溫度，為下一時(shí)步的計(jì)算做準(zhǔn)備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：對 于單孔換熱器，遠(yuǎn)邊界半徑取5m-10m，對于多孔換熱器，遠(yuǎn)邊界半徑取兩孔間距的一半。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：所 述節(jié)點(diǎn)包括孔壁節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)邊界節(jié)點(diǎn)，其中： (1) 孔壁節(jié)點(diǎn)建模方法為：
(2) 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)建模方法為： 其中： Λ +
(3)遠(yuǎn)邊界節(jié)點(diǎn)建模方法為：
Bm - I _a M，w 上式中：Qj表示j時(shí)步施加在孔壁上的總熱量，單位為W，向土壤放熱為正，從土壤吸熱 為負(fù)；Δ t是時(shí)間步長，單位為s ;\是控制體i的體積，單位為m 3; Λ r是空間步長，單位為 m ;rb是孔壁半徑，單位為m 是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的半徑，單位為m 是遠(yuǎn)邊界半徑，單位為m ;L 是鉆孔深度，單位m;Ps是土壤密度，單位為kg/πΛλ 3是土壤導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W(m〃C); cs是土壤比熱，單位為J/(kg · °C )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：空 間步長取0. 03m，時(shí)間步長取60s。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：步 驟九所述的水泵能耗采用下式計(jì)算： (1) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷小于設(shè)計(jì)負(fù)荷的25%，則水泵能耗 Ep= Ep0X25% (2) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之比介于25%~75%，則水泵能耗 E=En x^- P 戶〇 /〇 ^hpO (3) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之比大于75%，則水泵能耗 Ep= E p0X 100% 其中Qhp為實(shí)際負(fù)荷，Qhptl為設(shè)計(jì)負(fù)荷，Ep為水泵能耗，E ptl為水泵額定功率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，其特征在于：步 驟九所述的風(fēng)機(jī)能耗采用下式計(jì)算： (1) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷小于設(shè)計(jì)負(fù)荷的25%，則風(fēng)機(jī)能耗 Ef= Ef0X25% (2) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之比介于25%~75%，則
(3) 若建筑/機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之比大于75%，則 Ef= Ef0X 100% 其中Qhp為實(shí)際負(fù)荷，Q hp(l為設(shè)計(jì)負(fù)荷，E f為風(fēng)機(jī)能耗，E f(l為風(fēng)機(jī)總裝機(jī)功率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地源熱泵的高效的逐時(shí)數(shù)值模擬方法，包括如下內(nèi)容：一、建立單孔和孔群地下?lián)Q熱器統(tǒng)一的數(shù)值傳熱模型；二、建立熱泵與地下?lián)Q熱器的耦合模擬計(jì)算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：統(tǒng)一數(shù)值模型既可模擬單孔地下?lián)Q熱器也可模擬孔群，不必采用空間疊加技術(shù)來考慮孔群效應(yīng)；直接采用數(shù)值模型進(jìn)行模擬，既可以方便利用建筑逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算，準(zhǔn)確性高，又能保證計(jì)算效率高，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。系統(tǒng)模擬步長取3600s，土壤導(dǎo)熱計(jì)算中時(shí)間子步長取60s，空間步長取0.03m，計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算效率都可保證。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104732111
【申請?zhí)枴緾N201510181300
【發(fā)明人】施恂根, 蘇華, 康景文, 陳云, 劉東輝
【申請人】中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西華大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月16日