在線源理論的基礎上建立了土壤源熱泵系統的模擬模型,該模型可以用于土壤源熱泵系統的全年運行模擬,預測土壤源熱泵系統的能耗情況;對于土壤源熱泵系統的經濟性評估,提出了地下換熱器換熱成本的概念,并導出了地下換熱器換熱成本的通用計算方法。本文中的模型可以對土壤源熱泵系統的設計方案進行經濟性評估,以便設計人員選取經濟性較好的方案。

1、前言

　　目前,土壤源熱泵的設計主要依靠簡化的半經驗公式進行計算,計算出所需要的鉆井長度,這種方法簡單實用,但是沒有考慮負荷的動態變化,無法知道設計出的鉆孔長度是否能夠滿足或者超過了系統的要求。要解決以上問題,需要引入對土壤源熱泵系統進行全年模擬的思路來評估設計方案的經濟性。通過全年的運行模擬,可以針對不同地區、不同的建筑類型選取最優的設計方案,使得地下換熱器的換熱成本是最低的。換熱成本包括了地下換熱器的初投資和熱泵的運行成本,本文將作重點論述。

　　國內外學者對地源熱泵系統模擬做了大量的研究。Jeffrey和Sp itler在圓柱理論下使用短時間步長,提出了負荷累積和負荷主導期的概念,結合trnsys軟件對土壤源熱泵系統進行了長時間的模擬^[1、2] 。王景剛等在圓柱理論的基礎上,對地源熱泵的換熱特性進行了研究,并進行了實驗驗證,驗證了圓柱理論對地源熱泵模擬的準確性^[3] 。楊衛波和施明基使用線源理論建立了可以用于土壤源熱泵系統短期運行模擬的計算模型,并把模擬結果和圓柱理論的計算結果進行了比較,兩種方法的計算結果相對誤差很小,但所建立的模型需要較長的計算時間,不適合做全年或多年模擬^[4] 。影響土壤源熱泵系統的初投資和運行成本的因素有很多,主要的影響因素是地下換熱器的長度。地下換熱器越長,系統的初投資就越大,但是在夏季可以取得較低的地下換熱器出水溫度,在冬季可以取得較高的出水溫度,系統的節能潛力就越大。但是否低下換熱器越長,土壤源熱泵系統的經濟性就越高呢? 由于換熱成本的存在,答案是否定的。

　　本文在線熱源理論的基礎上,建立了可以用于土壤源熱泵系統全年逐時模擬的計算模型。通過本模型,可以直觀的預測土壤源熱泵系統中的熱泵的能耗情況,為土壤源熱泵系統的設計和運行控制策略的制定提供參考。在全年能耗模擬的基礎上對地下換熱器的換熱成本進行了分析,提出了一個可以對土壤源熱泵系統進行經濟性評估的通用計算方法。

5、結語

　　線熱源理論是目前研究地下換熱器特性最常用的理論,計算過程簡單,計算結果準確,且易于設計人員掌握。本文在線源理論的基礎上,把建筑的逐時負荷轉化為階躍矩形熱流,通過疊加原理作用到鉆井井壁,計算動態負荷下的鉆井井壁溫度,再通過鉆井井壁溫度計算U型管的出水溫度,并結合熱泵的性能曲線,建立了可以對土壤源熱泵系統進行全年模擬的計算模型。通過該模型,可以模擬土壤源熱泵全年的運行情況,計算出熱泵的能效比和耗電量、地下換熱器全年的傳熱量、U型管的逐時出水溫度。

　　對于土壤源熱泵系統的經濟性評估,本文提出了地下換熱器換熱成本的概念,結合所建立的土壤源熱泵系統的模擬模型,導出了地下換熱器換熱成本的通用計算方法。通過計算,可以很直觀的分析和預測土壤源熱泵系統的經濟性。本文為土壤源熱泵系統設計時的方案評估提供了一種簡單而可靠的計算方法,以便設計人員選取經濟性較好的設計方案。

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