閉環地源熱泵系統模型與模擬

tags:    時間:2014-03-12 02:29:31
閉環地源熱泵系統模型與模擬簡介
    地源熱泵系統的特性主要由兩部分決定:一是地熱換熱器的長度和配置,二是與之相匹配的熱泵機組的性能,因此建立地熱換熱器和熱泵機組的耦合傳熱模型是進行地源熱泵……
閉環地源熱泵系統模型與模擬正文

    

地源熱泵系統的特性主要由兩部分決定:一是地熱換熱器的長度和配置,二是與之相匹配的熱泵機組的性能,因此建立地熱換熱器和熱泵機組的耦合傳熱模型是進行地源熱泵系統性能研究的重點。由於地熱換熱器所涉及的傳熱過程的複雜性,地熱換熱器的傳熱模型仍是國內外閉環地源熱泵系統研究工作的重點。作者近年來在地熱換熱器傳熱模型方面進行了一些有創新性的研究:提出了分析豎直埋管地熱換熱器鑽孔內的傳熱過程的准三維模型;另外,採用順序模塊法建立了熱泵機組的數學模型;通過能量平衡關係式,建立了地源熱泵系統的動態模型。利用系統模型可以模擬在不同地熱換熱器長度及配置情況下,系統能耗、製冷量性能係數等。通過試驗驗證表明,該系統模型預測結果與試驗比較吻合,預測水溫與實測結果最大相對誤差不超過5%,製冷量或制熱量最大誤差不超過10%。
1.前言
由於地源熱泵地下換熱的影響因素多、設計難度大,基礎數據不足,某些參數的選擇不當會造成工程造價難以接受,限制了該項技術,所以直到上個世紀80年代後期才在商業、民用建築的空調系統中採用。最近幾年,大量報道反映了國外進行的工作和取得的成果[1]。
由於它的環保和節能特點,地源熱泵空調系統在國內正在受到越來越多的關注,特別是近幾年,國內開始有了地源熱泵空調系統的實際工程。因此,地源熱泵的設計細節、及其與傳統建築系統匹配的資料很少,對地源熱泵工程實例的調研和經驗總結是國際上地源熱泵研究的一個重要方面。
在地源熱泵系統中,地熱換熱器的研究一直是地源熱泵技術的難點,同時也是也是該項技術研究的核心和應用的基礎。現有的地熱換熱器設計方法大都基於美國和歐洲對地熱換熱器的試驗研究。國內有關地源熱泵的研究重點均放在地熱換熱器的試驗研究上,也分別給出了相關的實驗結果。由於缺乏對換熱器在土壤中複雜的傳熱機理的深入研究,使得所得結論只適用於某一具體實驗系統,理論性較差,提供的基礎數據又較少,因而難於指導實際的工程設計。因此,目前研究的內容之一是建立更接近於實際情況的地熱換熱器傳熱模型。
眾所周知,地源熱泵系統的特性主要由兩部分決定:一是地熱換熱器的長度和配置,二是與之相匹配的熱泵機組的性能。因此在地熱換熱器配置已定的情況下,地源熱泵系統的性能如何是目前工程中最關心的問題。所以本文的另一個研究內容是建立地熱換熱器與熱泵機組的動態模型,並通過試驗驗證模型的準確性。
2. 地熱換熱器模型綜述
根據布置形式的不同,閉環地熱換熱器可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。豎直埋管地熱換熱器也就是在若干豎直鑽孔中設置地下埋管的地熱換熱器,通常採用U型埋管的形式。U型埋管地熱換熱器也就是一個鑽孔中布置U型管,再加上回填材料,與周圍土壤構成一個整體。一個鑽孔中可以設置單組U型管,也可以設置兩組U型管。豎直埋管佔地面積小,傳熱效率高,在工程中得到了廣泛的應用,本文主要以工程中應用最廣的單U型管為例,詳見圖1。
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由於地熱換熱器所涉及的傳熱過程的複雜性,地熱換熱器的傳熱模型仍是國內外閉環地源熱泵系統研究工作的重點。有關地熱換熱器的傳熱,迄今為止還沒有普遍公認的模型和規範。國際上現有的傳熱模型大體上可分為兩大類。第一類是以熱阻概念為基礎的解析解模型,第二類方法以離散化數值計算為基礎的數值解模型。第一類模型採用Kelvin的線熱源模型或無限長圓柱模型[2]。這類半經驗方法概念簡單明了,容易為工程技術人員接受,因此在工程中得到一定的應用。其缺點是各熱阻項的計算做了大量簡化假定[3],模型過於簡單,能夠考慮的因素有限,特別是難於考慮冷、熱負荷隨時間的變化、全年中冷熱負荷的轉換和不平衡等較複雜的因素。第二類方法以離散化數值計算為基礎的傳熱模型,可以考慮接近現實的情況,採用有限元或有限差分法求解地下的溫度響應並進行傳熱分析。但是由於地熱換熱器傳熱問題涉及的空間範圍大、幾何配置複雜,同時負荷隨時間變化,時間跨度長達十年以上,因此若用這種分析方法按三維非穩態問題求解實際工程問題將耗費大量的計算機時間,在當前的計算條件下直接求解工程問題幾乎是不可能的。這種方法在目前還只適合於在一定的簡化條件下進行研究工作中的參數分析,而不適合於做大型的多鑽孔的地熱換熱器的傳熱模擬,更不適合用作工程設計和優化。
3. 豎直單U型管地熱換熱器模型的建立
3.1 鑽孔內准三維模型的建立
在研究地源熱泵系統性能時,由於時間跨度比較小,因此鑽孔內回填材料熱物性、鑽孔幾何尺寸等都對地源熱泵系統的性能有重要影響。以往的一維模型和二維模型中,由於對鑽孔內結構進行了簡化,即將兩根U型管簡化為一根,並假定U型管內流體溫度為定值,無法得到鑽孔內流體溫度隨鑽孔深度的變化以及兩根U型管之間引起的熱短路情況。因此模型與實際情況有一定的差別,導致模型預測誤差較大。
課題組近年來在地熱換熱器傳熱模型方面進行了一些有創新性的研究:在二維模型[4]的基礎上,流體溫度在深度方向的變化以及軸向的對流換熱量必須予以考慮。為保持模型的簡明,鑽孔內固體部分的軸嚮導熱仍忽略不計,我們把建立的此模型稱為準三維模型。對於單U型管的鑽孔的熱平衡分析,根據流體在U型管中向下和向上流動過程中的能量平衡方程式求解得到U型管內流體溫度無量綱形式的解為[5,6]:
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其中,? ,? , , ,c為流體的比熱,M為U型管內流體的質量流率,R11為U型管至鑽孔壁的熱阻[5],R12為兩根U型管之間的熱阻[5],Tb為鑽孔壁溫,H為鑽孔深度,為流體入口溫度。
3.2 鑽孔外瞬變溫度場分析
埋有管子並與土壤進行著熱交換的鑽孔,通常可以被近似地看作是置於半無限大介質中的線熱源而進行傳熱分析,以確定鑽孔壁的溫度。國外正式推薦的計算鑽孔外熱阻的模型主要是無限長線熱源模型[2,3],也即一維模型,它忽略了鑽孔有限深度和地表面作為邊界的影響,在處理長時間的傳熱問題時會造成較大的誤差。我們利用格林函數法首次求得了半無限大介質中有限長線熱源的溫度響應,解決了求解精度和計算時間的矛盾。利用格林函數法可導得半無限大介質中的溫度響應為[7]:
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(2)
其中 , , , , 。
4. 水-水地源熱泵機組模型
國外熱泵機組模型多數是基於廠家提供的產品樣本中的數據而建立的。在國內,多數樣本只提供了額定工況時的性能參數,少數產品即使提供了運行工況的性能參數,所給出的數據可靠性也難以保證。所以,完全根據樣本數據建立模型的方法無法實現。國內對於熱泵機組的研究多採用部件模型法,即分別對各個部件建立模型,機組模型則由各部件模型通過適當的介面參數連接而成。
水-水熱泵機組主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四個部件組成。因此本文採用分佈參數法建立了套管式冷凝器和蒸發器的模型,採用集中參數法建立了壓縮機和熱力膨脹閥的模型,然後通過一定的迭代關係式將各個部件聯繫起來。在猜測一組初值后,從最內層循環開始計算,其它變數根據這些假定值算得。如果收斂條件不滿足,假定值被修改後的新值取代。由此,完成由內到外各層的循環計算。
熱泵機組的控制方法有多種,目前應用最多的方法仍然為控制過熱度。本文主要研究控制過熱度為主的熱泵機組的模擬演算法。機組模擬的目的就是在設定變數初值后,通過不斷的迭代和改變變數的設定值,在保證一定誤差的前提下,確定機組的實際運行工況。穩態的熱泵機組模擬主要由三重迭代過程組成,其主要步驟如下:
(1) 設定蒸發器出口製冷劑的過熱度△ts。
(2) 輸入已知量,包括蒸發器、冷凝器的結構參數,製冷劑充注量及工況參數。
(3) 設定蒸發溫度Te、冷凝溫度Tc和蒸發器入口製冷劑干度x的初值。
(4) 調用壓縮機模型,計算製冷劑質量流量及壓縮機入口狀態點1的參數。
(5) 調用蒸發器模型,計算蒸發器的傳熱面積Ae,並與蒸發器的實際傳熱面積Aeo比較,若 >ε,轉到3)重新設定蒸發溫度 ,直到滿足 為止。這是第一重循環。
(6) 調用膨脹閥模型,計算壓縮機出口狀態點2、冷凝器出口狀態點3、膨脹閥出口狀態點4點的狀態參數。
(7) 調用冷凝器模型,計算冷凝器的傳熱面積Ac,並與冷凝器的實際傳熱面積Aco比較,若 >ε,轉到3)重新設定冷凝溫度 ,直到滿足 為止。這是第二重循環。
(8) 計算整個系統內製冷劑的質量M,其中 。如果 >ε,則轉到3),重新設定蒸發器入口製冷劑干度x,直到滿足 為止。這是第三重循環。
(9) 計算機組的各項性能參數,如性能係數、壓縮機功率、製冷量等,輸出各參數。
對熱泵機組模型,在機組結構參數已知的情況下,只要輸入冷卻水和冷凍水的進口溫度和流量即可模擬出冷卻水和冷凍水的出口溫度及機組各項性能參數。
5. 地源熱泵系統模型
地源熱泵系統包括三個環路,即地下防凍液或水環路、熱泵機組內製冷劑環路和用戶側水環路,因此系統模型是由地熱換熱器模型、熱泵機組模型和用戶負荷模型通過質量守衡和能量守衡關係式連接而成。
在地熱換熱器長度和配置一定的情況下,地源熱泵系統性能模擬步驟如下:
(1)輸入已知參數,這些參數包括
·?地熱換熱器結構參數,地熱換熱器長度、地下岩土及塑料埋管的熱物性;
·?熱泵機組內壓縮機、冷凝器、蒸發器、及膨脹閥的結構參數;
·?冷卻水的初始進口溫度Tf0、流量Mex、Cpx比熱;
·?冷凍水的初始進口溫度Tw0、流量Me、CP比熱;
·?任一時刻的室內冷負荷。
(2)調用熱泵機組模型,計算初始時刻機組的製冷量、放熱量、冷凍水及冷卻水的出口溫度。
(3)以熱泵機組的熱流作為地熱換熱器的已知變數,調用地熱換熱器模型,計算出第一時刻地熱換熱器流體出口溫度Tfou。
(4)調用室內負荷模型,計算出第一時刻的冷負荷。
(5)以初始時刻機組冷凍水的出口溫度作為已知變數,調用用戶側水環路模型,求出該時刻冷凍水回水溫度Tw2。
(6)以第一時刻計算出的冷凍水溫度Tw2、Tfou 作為已知變數,調用熱泵機組模型,計算該時刻機組的製冷量、放熱量、機組性能係數,冷凍水溫度Tw2、Tfou等。
(7)以(6)計算出的冷凍水溫度Tw2、Tfou作為已知變數,然後轉到(2),計算下一時刻機組的各項性能參數,直到達到總的模擬時間。
6. 系統模型驗證
為了驗證系統模型的有效性,對地源熱泵試驗系統的水溫、水量及製冷劑的溫度進行了測定,同時根據系統模擬軟體,利用測定的水量及用戶的回水溫度作為已知參數,對地源熱泵系統進行了模擬。結果表明,模擬的冷凍水溫度與實測結果非常吻合,實測溫度與模擬值最大誤差為0.5℃;地熱換熱器出口溫度實測值與模擬值在運行開始時誤差較大,在運行約3個小時后,誤差逐漸減小,最大誤差不超過為0.5℃,這主要是由於地熱換熱器將鑽孔內傳熱近似為穩定傳熱造成的;壓縮機功率模擬的相對誤差在運行過程中均不超過5%。

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