地源热泵的建模和仿真

《地源热泵的建模和仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、地源热泵系统的建模与仿真分析作者：广西大学机械工程学院530004摘要：首先建立地源热泵系统各部件的数学模型，利用MATLAB/Simulink分别对各个部件进行模拟仿真，再将各子模块连接成系统主程序模块，分析地下埋管换热器的参数对整个地源热泵系统的运行性能的影响，为地下埋管换热器的参数优化提供依据，便于整个地源热泵系统的性能优化，实现节能环保的目的，具有一定的借鉴参考价值和实际意义。关键词：地源热泵地下埋管换热器建模仿真COP前言：建筑节能是近年来国家大力提倡的节能主题，楼宇的热水系统和空调系统都在不断地往节能环保的方向发展，其中地源热泵是我国近年来兴起的一项节能环保的新技术

2、，具有性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好、系统简单等特点。地源热泵系统最主要的研究对象是地下埋管换热器，地下埋管换热器的热量交换与地面的热泵机组的运行特性是相互耦合的，地下埋管换热器的换热性能好坏直接影响地源热泵的制冷或供热性能。由于地下埋管换热器中的传热过程是一个复杂的，非稳态的传热过程，设计地源热泵系统的地下埋管换热器需要知道地下岩土的热物性参数。由于地下换热过程的强弱必然会使地下埋管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。本文中，根据质量守恒定律和能量守恒定律，建立地源热泵各环

3、路的数学模型，利用MATLAB/Simulink建立地源热泵系统的仿真模型，通过改变地下埋管换热器的参数，分析对整个地源热泵系统工作性能的影响，从而得到地下埋管换热器的参数优化设计的方法，为地源热泵系统的系统优化和最佳匹配参数的选择提供基础，达到节能效果好，环保效果好的目的。1、地源热泵系统的组成结构地源热泵系统主要由三个环路组成，包括地下埋管换热器环路，地面热泵机组环路，用户末端环路。其中，地面热泵机组环路包括蒸发器、冷凝器、压缩机、热力膨胀阀等部件，整个系统的组成示意图如图1所示。地源热泵的三个环路是相互作用，相互耦合的。各部件之间遵循质量守恒定律和能量守恒定律，利用热泵机

4、组输入的能源将地下表层的能源转化成有用的热能。2、地源热泵系统的数学模型2.1地下埋管的数学模型由于地下埋管换热器的传热不稳定，本文采用经典的圆柱源理论建立传热模型，假定：(1)由于地热换热器所涉及的温度差值都不大，因此工程上可以忽略流体和岩土的物性随温度的变化；(2)由于问题所涉及的时间尺度很长，因此钻孔以外的岩土部分必须作为非稳态的传热过程考虑；(3)忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移，认为埋管与土壤之间只通过纯导热传热；(4)埋管与土壤接触良好，忽略接触热阻；(5)假定土壤各向同性；(6)设想流体与空洞边界的传热是在无限大的均匀介质中进行。式中：—远地点的环境温度，℃；—

5、埋管井壁温度,℃；—换热量,W（埋管流体吸热时为正，放热时为负）；—土壤的导热系数,w/(m·K)；—埋管井深度,m；—格林函数；—傅立叶数；—计算点至管中心的距离与埋管井半径的比值；为Fourier数，定义为其中:—土壤热扩散率，m2/s；—时间，s；—钻孔直径，m；应用函数公式计算嵌入无限大介质中圆柱体的传热计算时，Ingersoll给出了典型半径比下的随的拟合公式：地下循环水与土壤之间的传热简化为一个简单的温差传热过程，传热方程为：式中:—土壤的传热系数，kw/m2·K；—土壤的换热面积，m2；2.2蒸发器的数学模型蒸发器是热泵机组系统的一个重要的换热部分，蒸发器与热泵机

6、组系统工质相互进行热交换。本系统模型中，采用的循环工质是R22。为了简化模型，作如下假设：①工质的蒸发压力、温度采用空间平均化的方法，平均化后的参数只随时间改变；②蒸发器的平均干度取0.7；③蒸发器中的工质流量等于压缩机流量；④忽略蒸发过程中的压降及热损失；⑤假定蒸发器中的管内流体为沿轴向的一维均相流动。对于蒸发器的冷却水侧，根据能量守恒来建立以下方程，则有：式中：—时间变量；—制冷量，kw；—蒸发器侧冷冻水质量，kg；—蒸发器中冷冻水的质量流量，kg/s;—水的比定压热容，kJ/kg·K；、—蒸发器进口、出口冷冻水温度，℃。对于蒸发器的制冷剂侧，热泵机组运行时，制冷剂以汽液两

7、相状态进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，以过热蒸汽状态离开蒸发器，进入压缩机。认为内能变化近似等于焓值变化，则根据能量守恒定律，有：式中：—蒸发器内制冷剂质量，kg；、、—分别为单位质量制冷剂在蒸发器内平均比焓、蒸发器出口过热蒸汽焓、蒸发器进口焓，kJ/kg。而制冷剂在蒸发器中的平均比焓：式中：、为制冷剂在蒸发器内饱和蒸汽焓和液体焓。根据NIST提供的R22饱和物性热力性质进行多项式拟合，可得R22饱和汽与饱和液的焓值同温度的关系式：而饱和气体的焓值和饱和液体的焓值都是蒸发温度的函数，故有所以