[发明专利]一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法

说明书

技术领域

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

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。我国研究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：

末端空气处理设备及风机；

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；

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；

源侧水泵，负责在热泵及地下换热器之间实现水循环；

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。

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。

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，作为研究手段尚可，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。

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

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。

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：

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。

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

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明热泵-地下换热器耦合迭代算法的流程图；

图2是本发明采用的地下换热器数值模型网格示意图。

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

一种地源热泵的高效的逐时数值模拟方法，包括如下内容：