地源热泵模型
地源热泵的TRNSYS模拟与实验研究
参考内容二
摘要：本次演示采用TRNSYS仿真软件对地埋管地源热泵变流量系统进行模拟 研究，旨在探究其节能效果和使用价值。通过对比不同流量下的系统性能，发现 地埋管地源热泵变流量系统具有显著的节能优势和较高的使用价值。
引言：地埋管地源热泵是一种利用地下土壤温度波动实现冷热交换的节能空 调系统。随着人们对于节能和环保的度不断提高，地埋管地源热泵系统得到了广 泛应用。然而，传统地埋管地源热泵系统流量固定，容易导致能量浪费。因此， 研究地埋管地源热泵变流量系统的节能效果和使用价值具有重要意义。
模拟结果显示，地源热泵系统的供热水效率在夏季较高，冬季较低。因此， 将太阳能和地源热泵系统结合起来，可以平衡两种系统的优势和不足，提高整个 系统的稳定性和效率。
三、太阳能-蓄热与地源热泵的结 合
通过TRNSYS模拟，我们可以看到太阳能-蓄热系统和地源热泵系统各有其优 点和局限性。将两者结合，我们可以构建一个更为高效、环保的热水供应系统。
参考内容
标题：太阳能-蓄热与地源热泵供热水系统的TRNSYS模拟与研究
随着社会的进步和发展，对于可持续能源的需求越来越高，其中包括太阳能 和地源热泵等。本次演示将研究并模拟一种结合太阳能和地源热泵的热水供应系 统，以实现更高效、更环保的能源利用。
一、太阳能-蓄热系统
太阳能-蓄热系统利用太阳能集热器收集太阳能，通过蓄热装置储存热能， 在需要时释放。在TRNSYS模拟中，我们可以建立一个动态模型，根据输入的太阳 辐射量，实时计算出太阳能集热器的产热量和蓄热装置的温度变化。
2、热传导率
热传导率是衡量材料传热性能的重要参数。实验结果表明，有机质的热传导 率最高，其次为膨润土，水泥砂浆的热传导率最低。这表明有机质在导热性能方 面表现最佳，而水泥砂浆的保温性能最好。
土壤源热泵地埋管换热器计算模型
土壤源热泵地埋管换热器计算模型汇报人：2023-12-28•土壤源热泵地埋管换热器概述•土壤源热泵地埋管换热器设计计算目录•土壤源热泵地埋管换热器性能分析•土壤源热泵地埋管换热器优化设计•土壤源热泵地埋管换热器工程实例目录01土壤源热泵地埋管换热器概述定义土壤源热泵地埋管换热器是一种利用地下土壤作为热源和热汇的换热器，通过地埋管与地下土壤进行热交换，实现供暖或制冷的目的。
工作原理地埋管通常采用高密度聚乙烯管或无缝钢管，通过在地下钻孔或沟槽埋设，与土壤进行热交换。
在冬季供暖时，地埋管从地下吸收热量，通过热泵系统将热量提取到室内；在夏季制冷时，地埋管将室内的热量传递到地下土壤中。
定义与工作原理农业设施供暖在农业设施中，如温室、养殖场等，土壤源热泵地埋管换热器可以提供稳定的温度环境，促进植物生长和动物养殖。
游泳池和水景供暖在游泳池和水景等水体中，土壤源热泵地埋管换热器可以提供恒定的温度，保持水体的舒适性。
住宅和商业建筑供暖和制冷土壤源热泵地埋管换热器适用于新建和既有建筑供暖和制冷的需求，具有高效、节能、环保等优点。
土壤源热泵地埋管换热器的应用土壤源热泵地埋管换热器的优势与局限性优势土壤源热泵地埋管换热器具有高效、节能、环保、稳定等优点，能够满足不同建筑和设施的供暖和制冷需求。
同时，地埋管换热器不占用室内空间，对建筑布局和美观度影响较小。
局限性土壤源热泵地埋管换热器在设计和安装过程中需要考虑地质条件、气候条件等因素的影响，同时需要合理配置热泵系统和控制系统，以保证系统的稳定性和能效。
此外，地埋管换热器的初投资较高，需要综合考虑其长期运行成本和经济效益。
02土壤源热泵地埋管换热器设计计算土壤比热容表示土壤吸收或释放热量时温度的变化程度，计算时需考虑土壤的成分和密度。
土壤初始温度和边界条件确定土壤初始温度以及土壤与地埋管换热器的边界条件，有助于准确模拟地埋管换热器的传热过程。
土壤导热系数根据土壤类型、含水量、温度等因素计算土壤的导热系数，是地埋管换热器传热计算的重要参数。
土壤源热泵竖直埋管换热器钻孔外传热模型综述
Ｏ 引 言
地下埋 管传热模 型研究 是 地源 热 泵应 用 的关 键 技 术之 一 ， 一直是 国 内外 地源 热 泵研 究 的重 点 和难 点 ， 迄 今为止 ， 还没 有 公认 的模 型 和规 范 。 由于 地 下换 热极 其复 杂 ， 影响 因素颇 多 ， 以要 想精 确模 拟 几 乎是 不 可 所
２ １ 第 １期 （ 第 ５ ０ ０年 总 ８期 ）
模型-2 系统动态模型的建立
华中科技大学硕士学位论文2 系统动态模型的建立典型的土壤源热泵系统主要由三部分组成，即用户末端、热泵机组和地下埋管换热部分，系统性能是这三部分共同作用的结果。
其中典型的热泵机组由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器所组成；地下埋管换热部分有地下埋管和U型管换热器组成；空调末端部分主要是风机盘管。
系统结构简图如下：图2-1土壤源热泵系统的结构示意图有关热泵系统的数学模型研究，国内外发表了不少文章[34～39]，主要是针对系统参数的耦合、结构优化与具体定量计算等，但这些模型和算法都比较复杂，较适合于研究机组各部件之间的最佳匹配，制冷剂储存量的分配等内容，计算量较大。
而本文对热泵机组研究的主要目的是预测某特定结构热泵机组在具体运行工况下的动态仿真，包括蒸发器和冷凝器的进出水温度、耗电量以及制冷量等运行参数的变化特性。
热泵机组运行过程中,组成该系统的各个部件同时在运行，都对系统的状态产生影响，每一个部件的运行参数与其他部件的运动参数都是相互影响、相互关联的。
以土壤源热泵系统来说，不仅仅是热泵机组内部参数之间的具有耦合性，热泵与地下循环水参数及空调末端房间空调参数有存在着耦合关系。
因此，热泵机组的数学模型，必然要由各部件的数学模型所构成，并且要能反映出运行参数的相互耦合关系。
土壤源热泵系统的显著特征是用地下埋管换热器回收土壤热源，换热器的传热华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文受到地区气候、土壤等因素的影响。
不同地区的土壤环境条件，就会产生不同的埋管换热效果。
而这换热过程的强弱必然使埋地换热器的出口水温发生变化，变化的水温又将导致热泵系统的冷凝器或蒸发器的工作温度发生变化，从而影响整个热泵系统的工作性能[40]。
本文以夏季热泵制冷为例，通过建模来分析地源热泵系统各部分与热泵机组各部件的关系，根据质量守恒、能量守恒原理建立数学模型。
,?1h h图2-2 地源热泵系统夏季运行耦合关系在建模过程中要用到制冷剂热力学性质，本文水源热泵机组采用的循环工质是R22。
地源热泵冷热水机组性能的ARMA模型
基 金 项 目 ：北 京 市人 才 强 教 学 术 创新 团 队资 助 项 目（ Ｈ ２ １０ １７ Ｐ Ｒ ００ ７ ２ ） 作者 简 介 ： 伟 明 （９ ７ ） 男 ， 士研 究 生 ， 究 方 向 ： 能 源理 论 研 究 许 １８ 一 ， 硕 研 新
５ ２
北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报
人 工智能模 型 （ ： 如 神经 网络 模型 Ａ Ｎ） Ｎ 广泛 应
用于 Ｈ Ａ Ｖ Ｃ系统 中 ， 主要 研 究集 中在对 制 冷或 制 且
热 机组性 能 的模 拟 ， Ｓ ｉ ｒ 如 ｗｄ 比较 Ａ Ｎ模型 和传统 ｅ Ｎ 的经 验 模 型 的 热 泵 机 组 稳 态 性 能 Ｅ ； ａ ｇ ｏ Ｋ ｌ ｉ ｕ和 ６ ３ ｏｒ Ｂ ｃｔ ｒ ｅｈｌ 等人利 用 Ａ Ｎ模 型模 拟预测稳 态 的热泵机 ｅ Ｎ
ＦＳ和 Ｓ Ｍ 的 模 拟 的 Ｃ Ｐ值 与 实 际 的 Ｃ Ｐ值 ， Ｉ Ｖ Ｏ Ｏ 得
到 Ａ Ｎ的 Ｒ Ｓ 根值平 方 ） ０ ０ ７ Ｒ 为 ０ ９ ９ Ｎ Ｍ （ 为 ．０ ． ９ ４， ９
和 ＣＶ为 ２ ２ ； ＷＰ Ａ Ｎ 的 Ｒ Ｏ ．２ Ｓ — Ｎ ＭＳ为 ０ ０ ２ Ｒ 为 ．０ ， ０ ９ ９９和 ＣＹ为 ０ ０ ６ Ａ ＦＳ的 Ｒ ．９ Ｏ ．７ ； Ｎ Ｉ ＭＳ为 ０ ０ ４ ， ．０ ７
１ １ 时 间序 列 模 型 ．
Ｓ Ｍ 模型 优于神 经 网络 （ Ｎ 和 目适 系 统 （ Ｎ Ｉ ） 其 因 它 含 有 较 少 变 量 和 唯 一 的 Ａ ＦＳ ， 支 持 向量 ．
时 间序 列靠 数据 顺 序 和大 小 ， 蕴含 着 客观世 界
水机 组从土 壤 中吸收 热 量 ， 冷凝 器 产 生 的热 水 送 至
地源热泵trnsys仿真
地源热泵系统模型与仿真曲云霞地源热泵空调系统利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋设于地下的封闭环路中循环流动,与大地进行热量交换,进而由热泵实现对建筑物的空调。
与传统空调方式比较,地源热泵空调系统利用可再生能源,具有节能和环保的特点。
它在欧美已有数十年的历史,近年来在中国受到广泛关注,并已开始得到应用。
但是有关地热换热器的设计、地源热泵空调系统的性能预测、系统的优化设计等方面的研究还很不完善,也缺乏相应的规范,这在很大程度上制约了地源热泵的应用。
本文在山东省重大科技攻关项目资助下,对组成地源热泵系统的各个环路进行了研究,并利用能量守衡和质量守衡原理建立了地源热泵系统仿真模型。
本文的主要研究内容和成果如下：(1)竖直U型埋管地热换热器的传热模型。
对单个钻孔的传热划分为两个区域分别进行研究。
在钻孔周围区域,将竖直U型管的传热简化为有限长线热源的传热问题,采用格林函数法首次得到了有限长线热源温度分布的解析解。
由此得到工程上所关心的钻孔壁的代表性温度在恒定热流情况下随时间的变化。
与钻孔周围区域传热过程相比,由于钻孔内材料的热容量较小,因此除了讨论短时间(数小时)的瞬变传热问题以外,可以忽略钻孔内材料的热容量,把该部分的传热近似作为稳态传热处理。
本研究同时考虑了U型管内流体沿流动方向的导热,首次建立了U型管内流体的准三维模型。
该模型突破了国际上惯用的半经验公式的方法,通过理论分析首次得到了地热换热器流体进出口温度随地热换热器结构和负荷变化的解析解表达式。
通过引入了地热换热器钻孔内效能的概念,从理论上定量分析了钻孔内各项参数、尤其是两支管之间的热短路对传热的影响,为地热换热器的优化设计奠定了理论基础。
实际的地热换热器负荷是逐时变化的,所建立了地热换热器的动态传热模型把地热换热器随时间变化的负荷分解为一系列脉冲负荷,利用叠加原理建立了瞬变热流的地热换热器模型,进而可以确定在随时间任意变化的负荷作用下任一时刻的温度响应。
地源热泵系统模型与仿真
地源热泵系统模型与仿真地源热泵系统模型与仿真地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）是一种高效而环保的供热和供冷系统。
它利用地下的稳定温度来调节室内温度，并能通过回收废热实现节能。
为了实现地源热泵系统的设计和优化，研究人员开发了各种模型和仿真工具。
本文将介绍地源热泵系统的基本原理，探讨其模型和仿真方法，并分析其在实际应用中的意义。
地源热泵系统由地下换热器、热泵机组、热交换器和用户终端组成。
地下换热器通过埋设在地下的地源热井，利用地下恒定的温度来提供稳定的热源。
地下换热器的设计涉及地下水流率、管道布局等因素，可以利用模型预测和优化其性能。
热泵机组利用压缩机和制冷剂循环来实现热量的转移，从而提供供热或供冷能力。
热交换器用于在供热和供冷模式之间切换，以满足用户需求。
用户终端通过热交换器将热量传送到室内或室外，实现热量的传递或抽取。
为了实现对地源热泵系统的建模和仿真，可以采用物理模型和数学模型。
物理模型是基于地源热泵系统的实际工作原理，通过建立能量平衡方程和热传导方程来描述热量的传输和转移过程。
物理模型可以更加准确地预测地源热泵系统的性能，但也需要大量的参数和实验数据来支持。
数学模型是通过研究地源热泵系统的规律和特征来建立的，通常采用代数方程或微分方程来描述热量的流动和转换。
数学模型可以通过简化和抽象地源热泵系统的复杂性来实现计算和优化，但也可能忽略一些实际工作中的细节。
地源热泵系统的仿真是指利用计算机软件或模拟工具来模拟和分析地源热泵系统的运行和性能。
仿真可以通过改变参数和运行条件来预测系统的响应和性能，从而指导系统设计和运行。
在仿真过程中，可以使用物理模型或数学模型来描述地源热泵系统，并结合实际工作条件和数据进行计算。
仿真工具可以帮助工程师和设计师快速评估不同设计和优化方案的效果，从而减少实际试验和调整的成本和时间。
地源热泵系统的模型和仿真对于其设计和优化具有重要意义。
首先，模型和仿真可以帮助理解和分析地源热泵系统的工作原理和性能。
地源热泵夏季性能测试及传热模型
专题研讨地源热泵夏季性能测试及传热模型重庆大学程群英m罗明智孙纯武刘宪英摘要对50m深埋地下换热器地源热泵系统夏季间歇运行时的制冷性能进行了测试,分析了系统运行对地温的影响,提出采用混合系统来解决重庆地区冬夏季土壤中吸热、放热不平衡的问题,引入圆柱源理论建立了垂直U型管传热模型,模拟结果与实验结果吻合较好。
关键词地源热泵地下换热器传热模型性能测试Performance test of ground source heat pump systemsin summer and heat transfer modelB y Cheng Qun yin g n,L uo M in gzh i,Sun Ch unwu an d L iu X ianyingAbstract T ests the re fr ige ra ting perf o rma nce o f the gr ound so ur ce he at pump syste m w ith50-metr e-dee p buried under gr ound e xchange r oper ating inte rmittently in summer.Analyses the eff ect o f system oper ation o n under gr o und tem per at ur e.Suggests ado pting mixed syste m t o solve the pr o blem of the rma l imbalance betw een sum mer and w inte r in Chong qing are as.I ntro ducing the cy lindr ica l heat so ur ce theo ry, establishes a ve rtical U-type hea t tra nsfer mo de l.T he sim ulated re sults tally w ith the e xperimenta l data.Keywords g r ound so ur ce hea t pump,under gr o und exchang er,heat tr ansf er model,per fo r mance test n Chongqing Univers ity,Chongqing,Chi na①0引言据统计,2002年中国的建筑能耗约占总能耗的27.6%[1],建筑物中的大部分能耗主要用于供暖、空调和热水供应。
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• 图6为1—15年逐年供热期最不利PER的比较。同COP变化 趋势相同，有渗流水情况PER优于无渗流水情况，且由于 土壤温度变化很小，机组PER几乎不受影响，始终保持在
0.84。而无渗流水情况则逐年恶化。
•
荷，分别带入有渗流水及无渗流水的管群模型，求出从 1—15年的逐年供热期最不利钻孔壁温度，带入热泵机组 模型求出COP，再根据一次能源利用率PER的计算公式求得 逐年供热期最不利PER
• 运行一年后供热期末土壤温度则急剧下降，但两种情况温
降相差不大，随着运行时间加长，下降幅度均逐渐缓和。
• 有渗流水情况下，钻孔壁处平均温度自第7年起稳定在
钻孔壁外三种换热模型的解析
解析解和数值解
• 解析解方法就是假定一些条件，将U型管的实际传热过程 进行简化，根据传热方程得出方程的解析解，然后对理论 计算结果进行一定的修正。
• 数值解就是根据能量平衡方程和边界条件列出传热过程的
微分方程，对方程进行离散化处理，利用有限元或有限差
分方法求出传热量和温度分布。
• 针对无限长线热源模型，考虑到竖直埋管地热换热器的工 程实际，考虑到地表边界对传热的影响及埋地热换热器钻 孔深度的有限性，更为合理的模型应为以下提出的有限长 线热源模型。 • 工程实际中的地热换热器，其钻孔深度一般可达40—100m， 而钻孔的直径一般仅为70—200mm。因此，与钻孔的深度 (即所埋管子的深度)相比较，钻孔的直径是很小的。同时， 土壤可以被近乎看作是一半无限大的传热介质。 • 因此，埋有管子并与土壤进行着热交换的钻孔，就可以被 近似地看作是置于半无限大介质中的有限长的线热源而进 行传热分析，该线热源的长度也就是钻孔的深度。
• 令过余温度 θ = t － t0，满足 问题的格林函数( 即瞬时点热 源函数) 为
• 有限长瞬时线热源在无限大介质中引起的过余温度响应为
许多瞬时点热源的作用的叠加
• 在图 1 所示的动坐标系中，有限长线热源与 z轴重合，从
τ*= 0 时刻开始，以恒定的强度 q1发热，用当量渗流速度 U
代替地下水渗流速度 u，即热源以均匀的当量移动速度 U
有限长线热源模型解析
• 综合虚拟热源法、移动热源法和格林函数 • 对单个钻孔的研究可分为钻孔内的稳态传热和钻孔外的非 稳态传热钻孔外有地下水渗流的非稳态传热问题，分析地 下水流动对埋地换热器传热的影响。
• 如图所示，在半无限大介质中土壤初始温度均为 t0土壤中 地下水渗流速度为 u，方向为 x 正方向。忽略连接垂直埋 管的水平管的埋深和钻孔半径，钻孔长度为 H，地表温度 维持常量t0 ( 也就是土壤初始时刻的温度) 。通过土壤的导 热，从钻孔表面吸收或散出热量，热源强度为 q1，因此钻 孔可看作为垂直于地表，强度为 q1的有限长线热源
地热换热器的解析解模型
• 对于钻孔以外部分的传热，必须采用非稳态的传
热模型分析研究。常用的简化模型可以归结为以 下几种形式:无限长线热源模型;无限长柱热源模型; 有限长线热源模型
无限长线热源模型
• 由于U型埋管的深度都远远大于钻孔的直径，因而U 型埋管通常被近似看成是一个线热源和线热汇，这就 是无限长线热源模型。 • a)地下土壤的初始温度均匀，且被近似为无限大的传 热介质; • b)地下土壤的热物性是均匀的，且不随土壤温度的变 化而变化，即具有常物性: • c)不考虑地表的传热，且忽略地下水的流动: • d)忽略沿U型管轴向的传热，只考虑径向的一维导热; • e)忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上无限 大的线热源。 • d)管内热流恒定。
地下水渗流对土壤源热泵节能性的 影响分析
• 节能性的常用指标为“一次能源”利用率，即单位制冷量 或制热量所消耗的一次能源量PER，单位为kw/kw。 • 对于土壤源热泵，其机组一次能源利用率为:
• 对比分析地下渗透水的影响。我们计算两种工况1—15年
机组的能效，将该建筑负荷进行处理，求出地下换热器负
无限长柱热源模型
• 另外一种模型就是将钻孔近似为一无限长的圆柱，在孔壁 处有一恒定热流，钻孔周围土壤同样被近似为无限大的传 热介质，这就是无限简化解。
• 根据柱热源模型，从时刻为0开始，钻孔以恒定热负荷向
其周围土壤释放热量，则T时刻钻孔周围土壤的温度分布
如下式:
5.3℃，说明自第7年经过过渡期的调整，土壤经过充分换
热维持现有状况，土壤温度不再继续下降。而相比之下无 渗流水情况时，土壤温度则逐年下降，虽然下降趋势变缓 但始终无法稳定。
• 图5为1—15年逐年供热期最不利COP的比较。有渗流水情 况的COP高于无渗流水情况，并且可以发现有渗流水的机 组COP从第3年起逐渐趋于定值，最终稳定在3.36左右;而 无渗流水情况则持续下降。这说明无渗流水情况下，机 组性能逐年下降，工况急剧恶化。
• 过余温度场 • 由于问题的线性性质，τ 时刻在直角坐标系中的点 P( x，y， z) 处的过余温度就是线热源与线热汇在此点产生的过余温 度的叠加，即:
严寒地区有限长线热源管群模型
• 根据叠加原理，土壤中任意一点的过余温度为其周围四个 线热源在该点温度响应的叠加；在北方地区钻孔间距经验 值距离取4—6m，现已5m为例模拟，则该点过余温度为：
向 ξ 负方向移动:
• 在任意的 τ* 时刻，线热源离动坐标的原点的距离为 ξ' = － Uτ*，因此，连续发热而又移动的线热源在 τ*时刻在介质 中引起的温度响应可由公式( 3)中过余温度的积分得到，即
• 虚拟线热汇作用下的过余温度场 • 利用虚拟热源法原理，在与线热源关于边界面对称的位置 上设一虚拟线热汇，其强度为 -q1，长度同样为 H。这样， 等温边界条件自动得到满足。同以上方法，得出强度为 q1的有限长移动虚拟线热汇在介质中引起的温度响应为:
有限长线热源模型
• 如果地热换热器的吸热和放热不平衡，多余的热 量(或冷量)就会在地下积累，引起地下年平均温度 的变化。
• 这种换热器周围土壤年平均温度的变化会影响地 热换热器长期的换热性能，这是在设计时所必须 考虑的。这些问题用无限长线热源模型是无法解 决的，因为按照无限长线热源模型，钻孔周围土 壤的温度场是不会达到稳定状态。
• J。，J，，Y。，Y，分别为第一类和第二类贝塞尔函数，r。 为钻孔半径， • 无限长圆柱模型的建立所引入的假设前提与无限长线热源 模型中所作假设相同，只是将钻孔的几何尺度近似为一个 以钻孔半径为半径的无限长圆柱。圆柱模型包含两类贝塞 尔函数，以及半无限区间的积分计算，几乎不可能直接用 于工程实际。因此在求解无限长圆柱模型的理论解时，一 般采用近似解