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摘要：本文依据“圆柱源理论”对模拟过程中的相关参数的确定方法进行分析，并对地源热泵的夏季、冬季运动特性进行模拟研究与分析。
关键词：地源热泵，运行特性，模拟研究，圆柱源理论
Abstract: this paper on the basis of the "cylindrical source theory" to the analog process of the method to determine the relative parameters are analyzed, and of ground source heat pump summer, winter sports characteristic simulation research and analysis.
Key words: the ground source heat pump, operation characteristic, the simulation research, cylindrical source theory
中图分类号： TH3文献标识码：A文章编号：
1 地源热泵模拟研究中的参数确定
1.1 圆柱源理论常热流边界条件计算
经典圆柱源理论是假设在常热流边界条件下进行的土壤和埋管井壁之间的换热，未受扰动的土壤远界原始温度设为Tg，土壤各向同性，埋管井壁温度设为Tw，计算的目标为确定出埋管井壁温和土壤间的温度差△Tg，此类研究计算最早是在1954年由Ingersoll等人，基于Carslaw和Jaeger的计算工作基础之上，导出了温差表达式：Tw-Tg=△Tg=q/L G(Fo,p)/ks(1)，其中q为传热量，L为埋管井的深度，Ks是土壤导热系数，W（埋管流体吸热时为正，放热时为负），Fo为Fourier数，定义为：Fo=4αt/d²（2），α为土壤热扩散系统，最后可以得出公式的使用范围为Fo：0.1~106, 。
1.2 变热流条件下的埋管井壁温计算
地源热泵在实际运行时会受到地下温度变化的影响和地面负荷变化的影响，圆柱源理论认为：当埋管井壁的热流发生变化时，应当用叠加原理，考虑不同时刻的热流对热流和当前时刻温度的影响。
1.3 埋管井壁到流体的传热
在对地源热泵进行运行特性的模拟和全年能耗的分析时，要将井内埋管换热器中的循环流体的平均温度作为主要参数，因为埋管自身的热容量和井内的回填材料以及埋管井周围的土壤相比是较小的，因此按照稳态问题来对区域内的传热问题进行处理是正确的，也因此得到了较为广泛的应用。
2热泵机组性能分析
对于冬季的地源热泵系统来说，热泵机组蒸发器的吸热量是与埋管内循环介质和土壤之间的传热量是相等的；对于夏季的地源热泵系统来说，热泵机组冷凝器的放热量是与埋管内循环介质和土壤间的传热量是相等的，也就是说，热泵的运行特性和地下埋管的传热性能是相耦合的。热泵的循环性能主要是由蒸发压力和冷凝压力确定的，而蒸发压力和冷凝压力受到的影响因素较多，例如进出口水温、循环水流量等。
3 模型验证
3.1 实验装置
实验装置主要包括地下埋管系统、数据采集控制系统、热泵机组和地面空调系统等，实验装置中设定两眼埋管井，深度为120m，钻孔的直径为150mm，U形管的两侧均匀布置在井管轴心，U形埋管换热器管的直径为25mm和32mm，材料为高密度的聚乙烯管道，回填的材料为细沙土混合物和钻井泥浆。
3.2 地温变化特性
主要输入的参数为远界土壤温度、回填材料物性和土壤物性、热影响主导期的时间等，物性参数应当根据现场进行采样，再通过实验来进行确定。在模型建立过程时，为了适当减少模拟计算机的工作量，要引入“负荷累计”和“热影响主导期时间”的概念，因为主导期影响的时间越长，对早期热流历史的计算也更加精确，但是模拟计算机的工作量也会随之增加，在地源热泵的实验中不难看出，在较短的运行时间内，工况趋于稳定的速度也较快，根据实验的运行状况，热影响主导期的时间按照10天，也就是240个小时来进行考虑。
编号 1号 2号 3号 4号 埋管井
地温 15.87 15.64 15.75 15.52 15.89
表1.冬季热泵运行前各个钻孔井的平均地温（℃）
编号 1号 2号 3号 4号 埋管井
地温 15.90 15.68 15.84 15.76 15.95
表2.夏季热泵运行前各个钻孔井的平均地温（℃）
通过数据我们可以看出，无论是夏季或是冬季，1号测井管（距离埋井管5.1米）在地源热泵运行期间的土壤温度与运行前的温度是基本相同的，2号、3号、4号测井管在地源热泵运行期间的土壤温度变化与和埋管井间的距离是呈反比的，但是变化的幅度并不大。
3.3 夏季运行特性模拟验证
夏季运行特性模拟实验采用间歇运行的方式，其结果分析见表3.
性能 每米管长吸热量W/m 压缩机总能耗kWh 平均COP 平均Tout, ground℃ 平均低温℃
实验 52.28 1067 3.03 38.31 26.13
模拟 52.38 1056 3.09 38.36 25.26
误差 0.2% 1.1% 2.0% 0.1% 0.5%
表3.夏季模拟结果和实验对比
夏季模拟验证表明所建模型是能够对地源热泵的夏季运行特征进行有效模拟的。通过模拟研究和实验，我们可以看出：埋管内流体和土壤间的熱交换是依靠导热来进行的，为了满足热量交换的要求，埋管内流体和土壤之间要保持着一定的温差。
4结论
综上所述，本文通过对地源热泵模拟研究中的各项参数的分析，和对冬季、夏季地源热泵的运行特性的模拟研究可见：建立的耦合热泵机组性能与埋管换热器特性的地源热泵的模拟模型，应用范围是较为广泛的，在地源热泵系统的方案设计、全年能耗分析、运行控制策略中都可以应用。目前的地源热泵并没有像空气源热泵一样得到十分广泛的应用，其主要原因为缺乏较为可靠的地源热泵设计方法以及模拟模型，只有通过不断的对地源热泵的运行特性进行模拟研究，才能够使地源热泵的应用更为广泛、更为便捷。
参考文献：
[1] 王景刚,马一太,张子平,王侃宏,侯立泉.地源热泵的运行特性模拟研究[J].工程热物理学报,2009,8(03)
[2] 杨伟波,施明恒.地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟[J].东南大学学报,2007,9(01)
[3] 王宇航,陈友名,伍嘉宏,彭建国.地缘热泵的研究与应用[J].建筑热能通风空调,2009,9(04)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地源热泵，运行特性，模拟研究，圆柱源理论
Abstract: this paper on the basis of the "cylindrical source theory" to the analog process of the method to determine the relative parameters are analyzed, and of ground source heat pump summer, winter sports characteristic simulation research and analysis.
Key words: the ground source heat pump, operation characteristic, the simulation research, cylindrical source theory
中图分类号： TH3文献标识码：A文章编号：
1 地源热泵模拟研究中的参数确定
1.1 圆柱源理论常热流边界条件计算
经典圆柱源理论是假设在常热流边界条件下进行的土壤和埋管井壁之间的换热，未受扰动的土壤远界原始温度设为Tg，土壤各向同性，埋管井壁温度设为Tw，计算的目标为确定出埋管井壁温和土壤间的温度差△Tg，此类研究计算最早是在1954年由Ingersoll等人，基于Carslaw和Jaeger的计算工作基础之上，导出了温差表达式：Tw-Tg=△Tg=q/L G(Fo,p)/ks(1)，其中q为传热量，L为埋管井的深度，Ks是土壤导热系数，W（埋管流体吸热时为正，放热时为负），Fo为Fourier数，定义为：Fo=4αt/d²（2），α为土壤热扩散系统，最后可以得出公式的使用范围为Fo：0.1~106, 。
1.2 变热流条件下的埋管井壁温计算
地源热泵在实际运行时会受到地下温度变化的影响和地面负荷变化的影响，圆柱源理论认为：当埋管井壁的热流发生变化时，应当用叠加原理，考虑不同时刻的热流对热流和当前时刻温度的影响。
1.3 埋管井壁到流体的传热
在对地源热泵进行运行特性的模拟和全年能耗的分析时，要将井内埋管换热器中的循环流体的平均温度作为主要参数，因为埋管自身的热容量和井内的回填材料以及埋管井周围的土壤相比是较小的，因此按照稳态问题来对区域内的传热问题进行处理是正确的，也因此得到了较为广泛的应用。
2热泵机组性能分析
对于冬季的地源热泵系统来说，热泵机组蒸发器的吸热量是与埋管内循环介质和土壤之间的传热量是相等的；对于夏季的地源热泵系统来说，热泵机组冷凝器的放热量是与埋管内循环介质和土壤间的传热量是相等的，也就是说，热泵的运行特性和地下埋管的传热性能是相耦合的。热泵的循环性能主要是由蒸发压力和冷凝压力确定的，而蒸发压力和冷凝压力受到的影响因素较多，例如进出口水温、循环水流量等。
3 模型验证
3.1 实验装置
实验装置主要包括地下埋管系统、数据采集控制系统、热泵机组和地面空调系统等，实验装置中设定两眼埋管井，深度为120m，钻孔的直径为150mm，U形管的两侧均匀布置在井管轴心，U形埋管换热器管的直径为25mm和32mm，材料为高密度的聚乙烯管道，回填的材料为细沙土混合物和钻井泥浆。
3.2 地温变化特性
主要输入的参数为远界土壤温度、回填材料物性和土壤物性、热影响主导期的时间等，物性参数应当根据现场进行采样，再通过实验来进行确定。在模型建立过程时，为了适当减少模拟计算机的工作量，要引入“负荷累计”和“热影响主导期时间”的概念，因为主导期影响的时间越长，对早期热流历史的计算也更加精确，但是模拟计算机的工作量也会随之增加，在地源热泵的实验中不难看出，在较短的运行时间内，工况趋于稳定的速度也较快，根据实验的运行状况，热影响主导期的时间按照10天，也就是240个小时来进行考虑。
编号 1号 2号 3号 4号 埋管井
地温 15.87 15.64 15.75 15.52 15.89
表1.冬季热泵运行前各个钻孔井的平均地温（℃）
编号 1号 2号 3号 4号 埋管井
地温 15.90 15.68 15.84 15.76 15.95
表2.夏季热泵运行前各个钻孔井的平均地温（℃）
通过数据我们可以看出，无论是夏季或是冬季，1号测井管（距离埋井管5.1米）在地源热泵运行期间的土壤温度与运行前的温度是基本相同的，2号、3号、4号测井管在地源热泵运行期间的土壤温度变化与和埋管井间的距离是呈反比的，但是变化的幅度并不大。
3.3 夏季运行特性模拟验证
夏季运行特性模拟实验采用间歇运行的方式，其结果分析见表3.
性能 每米管长吸热量W/m 压缩机总能耗kWh 平均COP 平均Tout, ground℃ 平均低温℃
实验 52.28 1067 3.03 38.31 26.13
模拟 52.38 1056 3.09 38.36 25.26
误差 0.2% 1.1% 2.0% 0.1% 0.5%
表3.夏季模拟结果和实验对比
夏季模拟验证表明所建模型是能够对地源热泵的夏季运行特征进行有效模拟的。通过模拟研究和实验，我们可以看出：埋管内流体和土壤间的熱交换是依靠导热来进行的，为了满足热量交换的要求，埋管内流体和土壤之间要保持着一定的温差。
4结论
综上所述，本文通过对地源热泵模拟研究中的各项参数的分析，和对冬季、夏季地源热泵的运行特性的模拟研究可见：建立的耦合热泵机组性能与埋管换热器特性的地源热泵的模拟模型，应用范围是较为广泛的，在地源热泵系统的方案设计、全年能耗分析、运行控制策略中都可以应用。目前的地源热泵并没有像空气源热泵一样得到十分广泛的应用，其主要原因为缺乏较为可靠的地源热泵设计方法以及模拟模型，只有通过不断的对地源热泵的运行特性进行模拟研究，才能够使地源热泵的应用更为广泛、更为便捷。
参考文献：
[1] 王景刚,马一太,张子平,王侃宏,侯立泉.地源热泵的运行特性模拟研究[J].工程热物理学报,2009,8(03)
[2] 杨伟波,施明恒.地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟[J].东南大学学报,2007,9(01)
[3] 王宇航,陈友名,伍嘉宏,彭建国.地缘热泵的研究与应用[J].建筑热能通风空调,2009,9(04)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。