一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地源热泵的数值模拟方法，特别涉及一种U形管地源热泵的高效的逐 时数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 地源热泵空调作为一种利用浅层地热能的可再生能源技术，具有高效、节能、环 保的优势，在国内外得到广泛应用。我国研宄应用起步于上个世界90年代，目前每年以 20% -25%的速度增长，规模从中小型建筑转向大型建筑、建筑群、小区，有的工程达到几 十万平方米，其中竖埋U型管地源热泵有较多的应用。地源热泵系统包含以下几大部分：
[0003] 末端空气处理设备及风机；
[0004] 负荷侧水泵，负责把热泵机组产生的冷热水输配到末端设备处；
[0005] 热泵机组，实现制冷制热。包含蒸发器、冷凝器、压缩机以及膨胀装置四大部件以 及其他辅助、控制部件；
[0006] 源侧水泵，负责在热泵及地下换热器之间实现水循环；
[0007] 地下换热器，夏天把房间热量转移到地下，冬天从土壤吸取热量供给房间采暖。
[0008] 地源热泵空调与常规空调的区别在于地下换热器，地下换热器具有非稳态、结构 尺寸大、时间跨度大等特征，其设计合理与否是地源热泵工程成功与否的关键。输配系统的 设计也会影响整个系统的能效。地源热泵主机必须适应相应运行工况。在系统设计阶段， 对地源热泵进行动态模拟分析，有助于对设计方案进行评估优化。
[0009] 由于建筑负荷逐时变化，地源热泵逐时模拟计算是最符合实际的方法。理论上，现 有商业软件，如Fluent、ANSYS等三维数值模拟软件可以用于地源热泵地下换热器逐时非 稳态模拟，但是计算代价太大，作为研宄手段尚可，作为工程设计计算手段则不够实用，并 且这类软件不能模拟整个热泵系统。国外TRNSYS是一款强大的瞬时系统模拟软件，可以模 拟整个地源热泵系统，其地下换热器模型针对不同埋管结构采用了一些列g函数，该g函数 是在数值模拟结果基础上总结建立的，主要为了提高计算效率，因此TRNSYS是间接利用了 数值模型。国内"地热之星"则采用了近似解析模型，但为了保证计算速度，它没有进行逐 时计算，而是以建筑月均负荷及峰值负荷为基础进行计算；孔群相互影响则采用空间叠加 技术。
[0010] 考虑工程实际情况，地源热泵方案的模拟最好直接基于建筑逐时负荷，并且计算 效率要高，以便快速得到结果对设计方案进行评估。
【发明内容】
[0011] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种地源热泵的高效的逐时数值模 拟方法。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种地源热泵的高效的逐时数值模 拟方法，包括如下内容：
[0013] 一、建立单孔和孔群地下换热器统一的数值传热模型：地下换热器采用统一的柱 坐标下的一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边 界；从孔壁到远边界均匀划分计算网格，对节点应用能量守恒原理建立离散方程，离散节点 之间的连接关系用热网络表示，每个节点具有热容，节点之间用热阻连接；
[0014] 二、热泵与地下换热器的耦合模拟计算：
[0015] 步骤一、读取当前时步的建筑负荷；
[0016] 步骤二、判断建筑负荷是否为零：若是，则采用数值模型计算土壤温度，然后进入 步骤十；若否，则进入步骤三；
[0017] 步骤三、假设热泵机组性能系数EER/COP ;
[0018] 步骤四、计算地下换热器热量；
[0019] 步骤五、采用数值模型计算土壤温度；
[0020] 步骤六、计算进出口水温；
[0021] 步骤七、根据进出口水温重新计算EER/COP ;
[0022] 步骤八、判断步骤七与步骤三的EER/COP的误差是否在设定精度内：若否，则用 步骤七计算出的EER/COP代替步骤三假设的EER/C0P，然后返回步骤四；若是，则进入步骤 九；
[0023] 步骤九、计算水泵、风机、热泵能耗；
[0024] 步骤十、利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。
[0025] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：统一数值模型既可模拟单孔地下换热器 也可模拟孔群，不必采用空间叠加技术来考虑孔群效应；直接采用数值模型进行模拟，既可 以方便利用建筑逐时负荷进行逐时模拟计算，准确性高，又能保证计算效率高，节约计算时 间。系统模拟步长取3600s，土壤导热计算中时间子步长取60s，空间步长取0. 03m，计算准 确性和计算效率都可保证。
【附图说明】
[0026] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0027] 图1是本发明热泵-地下换热器耦合迭代算法的流程图；
[0028] 图2是本发明采用的地下换热器数值模型网格示意图。
[0029] 图3是本发明采用的地下换热器离散节点热网络示意图。
【具体实施方式】
[0030] 一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，包括如下内容：
[0031] 一、建立单孔和孔群地下换热器统一的数值传热模型：
[0032] 地下换热器具有非稳态、结构尺寸大、时间跨度大（1年-30年）等特征，准确性和 计算效率是必须考虑的因素。该模型不同于现有软件中的近似解析模型或g函数；离散方 程形式也不同于商业通用软件中的复杂的三维有限元或有限体积法数值模型。其基本思路 是：忽略竖向变换及周向变化，主要考虑径向温度变化。地下换热器沿径向均匀划分网格， 如图2所示，对控制体（节点），应用能量守恒原理建立离散方程。离散节点之间的连接关 系用图3所示的热网络表示，每个节点具有热容，节点之间用热阻连接。
[0033] 地下U形管换热器采用一种统一的柱坐标下的一维数值模型：该模型中换热孔 壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界，对于单孔换热器，远边界半径可取 5m-10m，对于多孔换热器，远边界半径取两孔间距的一半。该数值模型从孔壁到远边界均匀 划分计算网格，径向空间步长取〇.〇3m。该模型对每一个有限体积，基于热容热阻式应用能 量守恒原理建立离散方程。该模型流体与孔壁通过稳态热阻连接耦合。该模型系统模拟步 长取3600s，而土壤导热模拟时间步长取60s。
[0034] 具体内容如下：
[0035] (1)孔壁节点建模方法：第1个节点位于孔壁上，孔壁为变热流边界，第1个节点 和第2个节点发生导热。根据能量守恒原理：边界流入的热量减去流向第2个节点的热量 等于第1个控制体能量的增加，建立离散方程如下：
【主权项】
1. 一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：包括如下内容： 一、 建立单孔和孔群地下换热器统一的数值传热模型：地下换热器采用统一的柱坐标 下的一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界； 从孔壁到远边界均匀划分计算网格，对节点应用能量守恒原理建立离散方程，离散节点之 间的连接关系用热网络表示，每个节点具有热容，节点之间用热阻连接； 二、 热泵与地下换热器的耦合模拟计算： 步骤一、读取当前时步的建筑负荷； 步骤二、判断建筑负荷是否为零：若是，则采用数值模型计算土壤温度，然后进入步骤 十；若否，则进入步骤三； 步骤三、假设热泵机组性能系数EER/COP ; 步骤四、计算地下换热器热量； 步骤五、采用数值模型计算土壤温度； 步骤六、计算进出口水温； 步骤七、根据进出口水温重新计算EER/COP ; 步骤八、判断步骤七与步骤三的EER/COP的误差是否在设定精度内：若否，则用步骤七 计算出的EER/COP代替步骤三假设的EER/COP，然后返回步骤四；若是，则进入步骤九； 步骤九、计算水泵、风机、热泵能耗； 步骤十、利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。
2. 根据权利要求1所述的一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：对 于单孔换热器，远边界半径取5m-10m，对于多孔换热器，远边界半径取两孔间距的一半。
3. 根据权利要求1所述的一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：所 述节点包括孔壁节点、内部节点和远边界节点，其中： (1) 孔壁节点建模方法为：
(2) 内部节点建模方法为： 其中： Λ +
(3)远边界节点建模方法为：
Bm - I _a M，w 上式中：Qj表示j时步施加在孔壁上的总热量，单位为W，向土壤放热为正，从土壤吸热 为负；Δ t是时间步长，单位为s ;\是控制体i的体积，单位为m 3; Λ r是空间步长，单位为 m ;rb是孔壁半径，单位为m 是第i个节点的半径，单位为m 是远边界半径，单位为m ;L 是钻孔深度，单位m;Ps是土壤密度，单位为kg/πΛλ 3是土壤导热系数，单位为W(m〃C); cs是土壤比热，单位为J/(kg · °C )。
4. 根据权利要求3所述的一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：空 间步长取0. 03m，时间步长取60s。
5. 根据权利要求1所述的一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：步 骤九所述的水泵能耗采用下式计算： (1) 若建筑/机组实际负荷小于设计负荷的25%，则水泵能耗 Ep= Ep0X25% (2) 若建筑/机组实际负荷与设计负荷之比介于25%~75%，则水泵能耗 E=En x^- P 户〇 /〇 ^hpO (3) 若建筑/机组实际负荷与设计负荷之比大于75%，则水泵能耗 Ep= E p0X 100% 其中Qhp为实际负荷，Qhptl为设计负荷，Ep为水泵能耗，E ptl为水泵额定功率。
6. 根据权利要求1所述的一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，其特征在于：步 骤九所述的风机能耗采用下式计算： (1) 若建筑/机组实际负荷小于设计负荷的25%，则风机能耗 Ef= Ef0X25% (2) 若建筑/机组实际负荷与设计负荷之比介于25%~75%，则
(3) 若建筑/机组实际负荷与设计负荷之比大于75%，则 Ef= Ef0X 100% 其中Qhp为实际负荷，Q hp(l为设计负荷，E f为风机能耗，E f(l为风机总装机功率。
【专利摘要】本发明公开了一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，包括如下内容：一、建立单孔和孔群地下换热器统一的数值传热模型；二、建立热泵与地下换热器的耦合模拟计算。与现有技术相比，本发明的积极效果是：统一数值模型既可模拟单孔地下换热器也可模拟孔群，不必采用空间叠加技术来考虑孔群效应；直接采用数值模型进行模拟，既可以方便利用建筑逐时负荷进行逐时模拟计算，准确性高，又能保证计算效率高，节约计算时间。系统模拟步长取3600s，土壤导热计算中时间子步长取60s，空间步长取0.03m，计算准确性和计算效率都可保证。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104732111
【申请号】CN201510181300
【发明人】施恂根, 苏华, 康景文, 陈云, 刘东辉
【申请人】中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 西华大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月16日