（工程热物理专业论文）地源热泵空调系统运行建模研究及能效分析.pdf

a dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy in engineering research on inverse model and energy efficiency of installed ground source heat pump systems ph. d. candidate: lei fei major: engineering thermophysics supervisor: prof. huang suyi huazhong university of science geothermal heat exchanger; groundwater; coefficient of performance; inverse model; degree day method 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 vi 目 录 摘要 . i abstract . iii 1 绪论 1.1 课题研究背景 . (1) 1.2 地源热泵技术应用现状 . (2) 1.3 地埋管热泵技术的研究现状和分析 . (3) 1.4 地下水源热泵技术的研究现状和分析 . (15) 1.5 地源热泵的火用分析法 . (17) 1.6 本文主要研究内容 . (18) 2 地源热泵集中空调系统监测 2.1 地源热泵的地区气候适应性 . (19) 2.2 地埋管热泵集中空调系统监测 . (20) 2.3 地下水热泵集中空调系统监测 . (29) 3 地源热泵空调系统运行能效比较 3.1 居住建筑空调能耗比较 . (39) 3.2 热泵 cop 理论模型 . (41) 3.3 地下水热泵系统能效比较 . (44) 3.4 地埋管热泵系统能效比较 . (46) 3.5 实测能效与文献值比较 . (47) 3.6 地埋管系统与地下水系统能效比较 . (48) 3.7 cop 比较结论 . (49) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 vii 4 地下水源热泵系统火用分析 4.1 火用效率计算方法 . (50) 4.2 火用分析计算参数确定 . (52) 4.3 火用分析计算结果 . (54) 4.4 系统节能潜力火用分析 . (55) 4.5 火用分析结论 . (56) 5 地下水热泵系统的地下水利用效率研究 5.1 实例分析 . (58) 5.2 板换及地下水流量分析模型 . (59) 5.3 基准状态 . (64) 5.4 循环水流量分析 . (64) 5.5 最低运行费用-循环水流量与井水流量的综合控制. (66) 5.6 流量分析结论 . (70) 6 地埋管热泵空调系统逆向建模方法 6.1 地埋管换热器 g 函数 . (72) 6.2 g-functions 曲线分析及插值. (75) 6.3 dst 模型 . (79) 6.4 非线性回归 . (82) 6.5 逆向方法 . (83) 6.6 两种逆向方法对比 . (86) 7 逆向建模方法验证及应用 7.1 模拟数据 . (88) 7.2 模拟数据的逆向建模方法验证 . (89) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 viii 7.3 实际运行系统逆向建模 . (96) 7.4 度日 g 函数插值法 . (109) 7.5 验证及应用小结 . (113) 8 结论与展望 8.1 结论 . (114) 8.2 展望 . (116) 致谢 . (117) 参考文献 . (118) 附录 1 攻读博士学位期间发表的学术论文 . (134) 附录 2 攻读博士学位期间参加的科研项目 . (135) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 能源是人类生存和发展的重要物质基础。随着各种不可再生能源的储量迅速下 降，能源危机已成为影响经济发展的主要问题。我国是发展中国家，随着工业化和城 市化步伐加快，高耗能行业发展较快，能源需求出现了前所未有的高增长态势，成为 世界上的能源使用大国。在行业能耗中，建筑能耗占了整个社会总能耗的较大比例。 目前，主要发达国家的建筑能耗均己占社会总能耗的 1/3 左右。2006 年我国建筑能耗 占社会总能耗的比例为 23.1%，同时近年建筑能耗呈现快速上升的趋势，预计其占社 会总能耗的比例最终会接近发达国家的水平1。在国家和社会面临节能减排的巨大压 力下，建筑能耗的控制成为重点。 建筑能耗主要包括两个环节的用能：建筑建设过程用能和建筑运行使用用能。建 筑建造过程用能，如建筑材料生产运输用能、建筑建造用能等，一般占建筑全生命周 期能耗的 20%左右。因此建筑运行能耗是建筑节能任务中最主要的关注点，建筑运行 能耗包括建筑物照明、采暖、空调和各类建筑内使用电器的能耗，将一直伴随建筑物 的使用过程而发生。在建筑运行各项能耗中，采暖和空调系统耗能所占比例最高，达 到了 50%左右。因此，建筑节能的首要问题之一就是解决暖通空调的运行能耗问题。 暖通空调的运行节能主要通过建筑围护结构改善和暖通空调系统能效提高两个 方面实现。热泵技术可以提高空调冷热源中能源转换效率，其中地源热泵技术是一项 近年快速发展起来高效节能技术，发展和应用地源热泵空调系统已成为暖通空调节能 的一个重点方向。 地源热泵是一种利用浅层地热资源，既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。 由于地层在未受干扰的情况下常年可保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低 于夏季的室内温度，因此地源热泵可以在冬季通过热泵机组把大地中的热量升高温度 后对建筑供热，夏季通过热泵机组把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，达 到制冷的效果。地源热泵技术作为一项可再生能源技术，是解决空调系统的能源与环 境问题的一项有效措施。地源热泵技术被美国环境保护署认为是最高效、舒适的冷热 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 2 空调系统2。 地源热泵(ground-source heat pump，简称 gshp)分为地下水源热泵(ground water heat pump，简称 gwhp)、地埋管热泵(ground-coupled heat pump，简称 gchp)和地表水热泵(surface water heat pump，简称 swhp)3, 4。地下水源热泵的使 用受地区的水文地质条件限制，制约地下水源热泵技术推广应用的关键是地下水资源 的保护和有效利用；地表水的温度随外界气温发生季节性变化，效率很低；土壤源热 泵受限较少。但土壤源热泵系统，建设费用远高于常规空调系统，是其应用的主要障 碍。地埋管热泵系统中地埋管换热器的投资就约占系统投资的 2030%5, 6。地源热 泵的高投资需要高效运行节能收益来补偿。 1.2 地源热泵技术应用现状 作为一项绿色空调应用技术7，地源热泵应用发展迅速，据文献8统计，2000 年 到 2005 年全世界地源热泵装机容量年增长率为 24%。在北美和欧洲，地源热泵系统 主要用于民用住宅和低负荷的商业建筑，系统规模小，其中采用小冷量的直接蒸发式 空气水热泵机组较常见。 随着中国经济的高速发展，能源短缺以及环境问题日益成为发展的瓶颈。地源热 泵以其的高效节能性受到重视。近年，地埋管热泵在国内应用得到了快速发展。最近 的一个文献统计了全国地源热泵系统的应用情况9, 10，2005 年地源热泵空调新建系统 增长了 190%，2006 年为 120%。2004 年地源热泵空调安装形式中，地下水源热泵系 统占 65%，地埋管热泵系统占 39%，地表水源热泵系统仅为 4.8%。国内的地埋管热 泵空调系统大型系统很常见，且基本是垂直埋管形式。其他国家地埋管热泵空调系统 中水平埋管也比较常见， 而且以小型系统为主11。 在地源热泵空调系统的推广应用中， 政府的政策起到了关键作用12。 在冬夏土壤取热和放热能相互抵消的冬冷夏热地区，地埋管热泵空调有着天然的 使用优势11, 13。以中部的武汉为例，全年非舒适气候有近 7 个月左右，对空调采暖的 需求高，据武汉市 2007 年统计，百户住宅空调拥有量已达 150 台。地源热泵空调系 统即能夏季制冷，又可冬季供暖。武汉地下土壤温度 10m 以下常年保持在 1416 c， 地下水温度 1820 c；地下水资源丰富，地下取水井深一般为 40m50m，地下水位 20m 左右，年变幅 49 米，这些都是使用地源热泵系统的有利条件。近年，武汉地区 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 3 的地源热泵系统受到政府的政策支持，自 2001 年第一个武汉地区地源热泵空调运行， 到 2009 年已有 40 余个建筑使用地源热泵空调。据 2009 年武汉地区的地源热泵系统 调查显示如下特点：1）大型地源热泵系统占多数，70%的地源热泵系统建筑面积超过 1 万平米，都为集中式水水热泵机组；2）其中使用地下水源热泵系统的建筑面积为 90 万平米，土壤源热泵空调系统为 54 万平米；3）土壤源热泵空调系统全部为垂直地 埋管形式；4）地下水热泵系统回灌率 20%100%14。 1.3 地埋管热泵技术的研究现状和分析 1912 年瑞士 zoelly 首次提出地埋管热泵系统的概念。20 世纪 40 年代末 50 年代 初土壤源热泵技术的研究启动，这一时期主要开展了基本理论研究，如 1948 年 ingerson 根据 kdvin 线热源理论提出了地埋管换热器的线热源理论15； 1954 年提出了 柱热源理论16。 这两个理论模型至今仍是地埋管换热器热物性测试的主要工程计算方 法。 在 7080 年代时期，美国的一些国家实验室和大学进行地埋管热泵技术的全面 应用研究。如土壤导热性能、不同地埋管换热器形式对换热过程的影响及其模拟计算 方法16-21。 近年出现一些新的地埋管热泵技术研究热点，如地埋管强化换热、地下水影响、 复合型地埋管热泵以及系统主机与换热器的匹配等方面22-30。 国内较早的地埋管热泵领域的研究始于 20 世纪 80 年代初的天津大学和天津商学 院。1997 年 11 月，美国能源部和中国科技部的合作项目中美能源效率及可再生能源 合作，对地埋管热泵在国内的应用起到了关键的推动作用。其后相关的研究工作快 速开展起来。 地埋管热泵技术的研究中，热泵的能效，以及地埋管的换热性能等是主要的研究 重点。以下结合本论文的研究方向，重点对地埋管换热器的模型，逆向建模，能效专 题，分析和总结相关文献的已有研究工作。 1.3.1 地埋管换热器基本传热模型 地埋管换热器的传热过程通常可分为两个单独的过程：井外土壤，是非稳态传热 过程；井内区域，包括回填、u 形管和管内循环水，可以作为稳态或准稳态或动态过 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 4 程。目前已提出的地埋管换热器模型有 30 余种，主要是预测土壤温度场的变化规律， 可以分为以下几类：解析模型、数值解模型和反应系数模型。其中的主要模型有如下 几个。 1.3.1.1 解析模型 解析模型计算量小，参数关系明确，使用方便，特别是在需要长时间预测时，是 优先考虑的方法。 解析法的基本模型主要有： 无限长线热源模型、 有限长线热源模型、 圆柱热源模型， 以及在以上基本模型基础上， 改进完善变形而来的其他一些衍生模型31。 1. 线热源模型 1948 年 ingersoll 依据 kelvin 线热源理论提出了地埋管无限长线热源模型15, 16。 该模型以恒定热流为边界条件，并假设地埋管为无限长线热源、初始温度一致，忽略地 埋管深度方向的传热，3 维传热问题变成了一个简单的 1 维传热，给出了地埋管到土壤 导热过程的一个最简单的解析式。对解析式中积分，ingersoll 等给出了具体解法32, 33。 由于模型中假设的无限长线热源的假设，与实际情况存在明显偏差，模型使用有 一定局限性。但因较其他各个解析模型，该模型的解析式最为简单，计算量最小。目 前地埋管换热器热物性测试中普遍使用该模型。 线热源理论在一定的时间段对小管径具有较高的精度34。 目前很多设计方法采用 该模型33, 35, 36。但对短时间的井内动态过程有相当的误差34。 曾和义等研究了有限长线热源模型的解析式，利用格林法推导了半无限大物体内 有限长线热源公式，并与数值解进行了比较37, 38。lamarche 给出有限长线热源模型 解析式的求解方法39。刁乃仁等提出了有限长线热源模型的特点：在长时间下，有限 长线热源解析式能够达到平衡，而 kelvin 线热源则温度始终增加40。 1983 年 bnl 修改的线源理论，通过对土壤进行分区，计算区域间热传导41。 igshpa 模型基于线热源理论，结合能量分析的 bin 方法，提出了一套完整的地埋管 换热器的标准工程设计方法，以年最冷月和最热月负荷计算换热器的尺寸，并用 bin 方法计算系统的季节性能系数和能耗34。 2. 柱热源模型 carslaw 和 jaeger 给出的柱热源的解析式，成为柱热源模型的理论基础42。 ingersoll 对解析式进行了优化并给出计算表16。柱热源模型假设地埋管管井为无限长 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 5 圆柱， 土壤均质。 解析式复杂， 需要求解一个从零到无穷的 bessel 函数积分， hellstrom 提出了一个近似解法43。 kavanaugh 采用圆柱热源模型计算单管土壤导热，不考虑地下水流动，并进行了 实验验证，该模型与实验结果吻合较好44, 45。 deerman 和 kavanaugh 把圆柱热源模型应用于变热流工况，证明其更符合工程设 计的情况46。 实际使用中的地埋管换热器，其传热过程涉及到的一系列不确定因素，如土壤热 物性、地下水、几年到几十年的长期的建筑负荷等，且其传热过程相当复杂。解析模 型建立在多重假设前提下，目前只有有限的几种简单情况有解析解。在稍复杂的多影 响因素下无法给出解析解。如处理流体热容、井内热容、地质分层、地下水渗流影响 时，简化处理产生相当的误差，特别是预测短时瞬态波动过程偏差大。 1.3.1.2 数值直接求解模型 1986 年 v.c.mei17针对垂直套管式换热器，采用热传导方程，建立了三维瞬态数 值模型，结合和边界条件，分析了土壤和换热器特性参数对地埋管热泵的影响，土壤 温度的数值计算结果与实测结果均比较吻合。重庆大学刘宪英等人47, 48采用 v.c.mei 建立了地埋管换热器的传热模型，模型模拟结果与实测值较吻合。 muraya 等开发了一个瞬时有限元模型， 研究垂直地埋管的 u 管间的传热影响49。 通过传热效率量化了 u 管间传热影响。分析 u 管间间距、土壤温度、回填料的影响。 李芃等50, 51采用有限元法建立地埋管热泵系统垂直地埋管非稳态温度场的数值 模型，并模拟计算分析了地埋管放热量与埋深、与埋管热作用半径的相关关系。 hellstrom 建立了地埋管蓄热器(duct storage systems，dst)模型，将竖直埋管换 热的区域分区， 分别采用解析公式和有限差分法进行传热计算， 然后叠加温度场43, 52。 yavuzturk 认为该模型是针对地埋管蓄热器的， 对于制冷系统的地埋管传热不一定 适用53。 rottmayer 等提出了一个有限差分模型54。用几何系数定义 u 管在井中的摆放位 置。有限差分模型与实际测量结果对比，进行了验证。 li 等对垂直地埋管建立了一个非结构网格的有限体积模型， delaunay 三角法画分 网格，土壤垂直方向考虑了多层结构。模型比对试验结果非常准确55。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 6 数值直接求解模型具有高度的灵活性和准确性，但是计算网格量大、复杂，计算 时间长，建模工作大。数值直接求解模型与其他设计和能耗分析软件衔接困难。解析 模型使用方便，能直接插入其他程序中，但基于一系列假设条件简化传热影响因素， 带来相应的误差。 1.3.1.3 反应系数模型 由于解析模型能够计算的边界条件过于简单，数值模型能考虑多个影响参数，但 计算量太大。根据地埋管导热的叠加特性，利用数值模型计算出地面管换热器的反应 系数，在工程应用中则直接使用反应系数的方法即为反应系数模型（response functions） 。反应系数模型即具备数值模型能计算各种边界条件，提高计算效率的计算 方法。使用反应系数法计算小时或子小时时间步长的建筑年模拟，能满足工程计算快 速的要求。 eskilson56, 57提出了一个普遍使用的反应系数模型，模型对于管井外导热采用数 值解，对于管井内的传热视为准稳态传热过程分为三部分：两管脚之间的热阻以及每 个管脚到钻孔壁的热阻，采用解析公式。数值模拟结果，归纳为一个无量纲温度反应 因子 gfunctions 形式。对于运行工况的变热流处理采用阶跃函数分解，g 函数卷积叠 加求整个土壤区域的温度场。计算井群传热。对短时间模拟，eskilson 方法不能精确 计算瞬时情况，所以 eskilson 方法也被称为长时间步长 g-functions 法（long time-step g-function method） 。 yavuzturk53, 58在 eskilson 的 g 函数模型基础上，提出了短时间步长 gfunctions。采用 2 维（径向-角度）的有限体积法，用一个自动网格化程序和采用 pie-sector网格划分 u 形管。短时间步长描述了整个地面管换热器，包括流体，采用 固定对流换热系数。短时间步长 gfunctions 与 eskilson 的长时间步长 gfunctions 结合 的很好。在典型情况下，短时间步长数据可以计算 2.5min 到 200min 的间隔。实际使 用中，短时间步长用于计算短于 200 小时时间间隔，而长时间步长法计算 200 小时以 上。同时 yavuzturk 和 spitler 用中学建筑的一个垂直地埋管系统的运行数据验证了短 时间步长模型59。 young 集成了 eskilson 的长时间模型，引入了一个流体参数来考虑流体热容，包 括了 u 形管内流体和 u 形管外的系统内流体。适用于更短的子小时步长60。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 7 1.3.1.4 模型比较验证 kavanaugh44通过实验验证了线热源模型和有限差分法模型，对这两种方法的精 度进行了对比，认为线热源模型可以满足应用的精度要求。 shonder 和 baxter 对比了六个基于不同模型的地埋管换热器尺寸计算程序61。以 住宅地埋管热泵为算例。结果表明冷负荷为主的系统中，各计算程序的差别达 7%， 在热负荷为主的系统中，差别达 16%。 gehlin 对比了四个模型：线源模型、简化的线源模型、柱源模型、有限差分数值 模型在热物性测试中的准确性62。 mclain、yavuzturk 等也分别做了验证研究63, 64。 1.3.2 地埋管热泵实测研究 地源热泵的实际运行效果是决定系统的经济性的关键因素。关于运行效率的对 比，已经有不少相关研究，包括实验室、理论计算、实际测量。但地埋管系统性能受 很多因素影响。在目前的研究中，相当多是基于小型系统，对于中大型的集中机组研 究数据很少，实际测量数据较少。对于同时分析供热供冷的系统实测也同样缺乏。而 实际运行重中诸多因素，如，地埋管的埋管深度、长度、换热器类型，换热器水流速 等等因素都影响其使用效果65-68。 karabacak 对土耳其一大学的小型地埋管热泵系统，进行制冷工况下的性能监测， 地埋管换热器为 110m深的垂直单 u 井。 对系统性能与气象参数之间的关系做了分析， 如太阳辐射、温度、湿度、风速等69。 inalli 和 esen 在土耳其一大学的实验房间内安装的地源热泵系统和空气源热泵 系统进行了实验研究。实验系统设计冷负荷 3.1 kw。气候特点干旱炎热，在夏季进行 1 个月测试， 1m 深度和 2m 深度水平埋管的两种地埋管地源热泵系统 cop 分别为 3.85 和 4.26，空气源热泵系统 cop 为 3.17，显示了地源热泵系统的运行节能性70, 71。该 实验研究在小型机组上进行。 ozyurt 72 在土耳其 ataturk 大学 53m 深垂直埋管的热泵实验装置上，开展系统 冬季性能实验，3 个月的实验数据验证系统能够应用于本地区的最寒冷天气。bakirci 在同一实验装置上对 2 口 53m 深的串联垂直埋管形式的热泵系统进行供热实验73。 hepbasli 对土耳其一垂直地埋管试验系统进行测试。74 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 8 blum 统计了德国 1100 家庭 gshp 垂直埋管形式系统，系统平均数据是：单个家 庭，190 平米供热面积，机组 11kw，需同时供热水，2 口 95 米深井，双 u 管，51% 的安装费用为钻井费用75。 minea 介绍了加拿大寒冷地区 qu bec 的 2 个中学的地埋管热泵的应用，分别采 用水平埋管和垂直埋管。水平埋管系统系统制热 584.5 kw，采用 35 台分布式盐水- 空气热泵主机，制热季节 scop 为 3.5，制冷 seer 为 19.2。垂直埋管系统制冷名义 冷量 203 kw，采用 25 台分布式水-水热泵主机，制热季节 scop 为 4，制冷 seer 为 18.376。 consortium 详细报道了 nahb research center 进行的一个长期测试， 地点在美国 ohio 东北部，对 5 个家庭地源热泵系统的长期监测，监测数据包括：地埋管温度及流 量、户内热水循环温度及流量、电耗等相当详细的参数。cop 与系统运行水温相关。 实测制冷负荷远小于制热负荷77。 大量研究和监测是针对家庭地源热泵系统或小型试验系统，如以上所提到的文 献。针对大型系统的研究很少。 naicker 对英国de montfor 大学建筑的一大型地源热泵系统进行监测。 系统包括 4 台水-水热泵主机，每台 170kw 的铭牌制冷量。测试数据提供热量和能耗数据，同时 将对提出的地埋管换热器模拟模型进行验证，并进行了热物性测试78。该文献介绍了 这个大型地源热泵系统及其监测组成，但具体的监测结果还未给出。 michopoulos 对希腊最大规模的地源热泵空调系统进行了三年的监测，该系统服 务于一栋政府大楼 1350 空调面积，地埋管换热器为 21 口 80m 单 u 井，共 7 台并联 的热泵机组。 监测数据显示了系统比较常规供热空调系统的显著节能性， 季节 cop 值 不稳定，为逐年上升，分析是由于地埋管换热器的运行影响。地源热泵空调与传统的 锅炉、空气水热泵和分体空调进行了比较，传统方式能耗通过计算得出79。分析 michopoulos 的测试结果，换热器冬夏吸放热不平衡，冬季是夏季的 1/2，冬季 cop 逐年增高，但夏季 cop 却稳定。这个反常现象反映了换热器实际传热过程的复杂性。 hwang 80 监测了韩国一个学校建筑的地埋管系统的实际运行参数。系统由 10 台水制冷剂型室外机组组成，每天机组制冷容量为 27kw。 其他一些研究者针对改进的系统，进行了实测研究，如，doherty 测试了英国 nottingham 大学一个生态建筑内使用地埋管热泵系统，结合太阳能热水器、锅炉，给 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 9 出了代表性的几个小时的实验测试数据81。 国内也对地埋管换热器的性能进行了实验研究，并结合地埋管热泵的示范工程， 开展了现场实测研究。 同济大学在地埋管热泵实验台上进行实验研究。李元旦对系统冬夏启动时间进行 了对比， 同时对选取的连续两天供热工况测试， 机组 cop 值很高， 但系统的 cop 低， 节能效果并不明显82。周亚素建立了模拟热泵机组动态过程的数学模型 ,并对地埋管 热泵系统性能进行了数值模拟，与实验测试值验证，表明上海地区地埋管热泵机组的 制热性能系数 cop 为 3.1 左右， 优于风冷热泵机组83。 张旭针对具体的实际建筑上海 佘山地区别墅，使用 bin 法，对地埋管热泵和风冷热泵系统的能耗，得出土壤热源热 泵系统比风冷热泵系统节能 34%的计算结果84。 重庆建筑大学也在地埋管热泵实验台上进行相关的实验研究，刘宪英介绍了实验 装置85。王明国对一实际建筑进行冬季供热 1 个月的测试，在间歇运行工况下，供热 性能系数 cop 平均值为 4.5； 在连续运行工况下， 供热性能系数 cop 平均值为 3.586。 何雪冰对某住宅的一个用户的家庭地源热泵系统进行测试，该系统各个房间采用分体 式水源热泵机组，设计冷负荷为 7814 w，垂直地埋管 300 米，夏天测试数据显示整 个系统制冷能效比 eer4.0948。另外，王勇采用 cfd 方法模拟了地埋管传热，分析 在动态负荷下地源热泵性能87。 南华大学张信树测试了北京某写字楼地埋管热泵机组在不同供暖期：采暖初期和 末期的几天的运行状态。发现热泵机组的性能系数 cop 和系统能效比 eer 在这两个 供暖期天的数值相差较大，初期为 5.16 和 3.56，末期为 3.15 和 2.39。在埋管水流量、 进出口水温差相差不大的情况下, 埋管水出口温度经过一个供暖期后降低了 2.9688。该实测反映了供热季的土壤冷量堆积的影响。 天津大学的朱强等在天津和沈阳建立了地埋管换热器单井实验系统，开展地埋管 换热器单井的换热性能实验研究，研究了不同的土壤物性、回填材料、埋管数量和运 行工况下单井换热器换热性能89。 宋著坤对某地源热泵具体工程选取典型供暖和空调 运行日各一天的测试数据进行分析，比较了设计工况与实际运行条件下各参数，包括 cop：冬季供热相差不大，而夏季空调有一定差距90。 yu 对上海一个档案馆建筑的恒温恒湿空调地埋管热泵系统，给出冬夏春秋 4 种 典型气象日的测试数据，如换热器进出口温度、cop，热泵机组平均能效 cop 和系 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 10 统 cop 分别为，夏季制冷 5.4 和 3；冬季制热工况 5.2 和 2.9；春季 3.0 和 1.5；秋季 2.5 和 1.0。分析土壤的影响和系统的经济91。 总体而言，对地埋管热泵的实测研究多是针对所建立的实验系统进行性能测试， 而对实际建筑的现场长期监测的研究较少，主要是由现场长期监测条件不具备。由前 述文献可见，实验系统性能与实际使用性能的测试相差很大，说明实验数据不代表实 际使用性能。不同文献的实际使用现场测试结果也相差很大。在许多实际使用现场测 试的研究文献中，采用典型日等短期测试的研究方式容易实施，但地埋管换热器的长 周期的动态性，决定了这样方法的缺陷。 1.3.3 地源热泵系统的模拟预测 对空调系统模拟可分为两种情况：1）新系统的设计过程中的系统模拟；2）已有 系统的系统模拟。 第一种情况， 设计过程中模拟， 也可称为正向模拟 （或前向型方法） 。 采用已知的系统模型，设计参数，或已知的参数，预测系统的输出。模拟过程中对系 统模型需要详细描述，各参数尽可能准确。用于新建系统的设计分析优化。地埋管热 泵系统正向模拟需对各个部件建立模型， 且输入详细的参数， 包括： 对地埋管换热器、 热泵、水泵等部件的详细描述等。系统负荷作为系统模型输入，计算出地埋管热泵系 统的能耗、能效、土壤温度变化等。以此来评价设计系统是否满足要求，预测负荷下 的性能。第二种情况，对已有系统的系统能耗模拟，称为逆向模拟。主要用于：建立 能耗基准模型、系统节能改造效果计算、评价系统性能、系统运行控制，等系统运行 优化环节。逆向模拟不同以上正向模拟，是在系统已经建成，有运行性能数据的基础 上进行的。输入和输出或已知或测量出来。根据已知输入和输出，决定系统模型，找 出模型内部的参数。对已有系统，采用逆向模拟进行预测，比正向模拟更能反映了系 统现状，预测准确。 逆向模拟在空调系统能耗方面的研究运用还较少。92 1.3.3.1 地源热泵系统的正向模拟 地源热泵系统预测除地埋管换热器部分外，还包括建筑负荷计算、系统中的主要 设备计算，如：热泵、水泵。但这些部分与常规空调系统计算并无区别。地源热泵系 统的长期预测中关键是对地埋管换热器的预测，依据前述的地埋管换热器的建模方 法，整个系统正向预测可以类似分类为：解析模型、dst 模型，cfd 数值模型93。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 11 1. 解析模型 michopoulos 在 matlab 环境中，采用地埋管换热器的解析解-线热源解，编制了热 泵系统性能预测软件93。 软件计算的能耗结果与实际一个现存大型地埋管热泵系统的 3 年的能耗监测进行了验证。全年的累计能耗误差仅 1.13%79。 cui 介绍了山东建筑大学的 geostar 软件，对土壤导热采用半无限大物体有限线 热源的显式解析式37，对井内传热采用按流动方向的 3 维准稳态模型，用空间叠加温 度场计算井群94。 王景刚、马一太等在地源热泵运行实验研究基础上，使用圆柱源模型，建立了变 热流条件下，热泵机组和地埋管换热器特性的地源热泵系统模型95, 96。 2. dst 模型 shonder 研究地埋管热泵系统设计方法的可靠性，以一个 2 层住宅建筑为算例，2 个垂直地埋管井，采用 dst 模型，对模拟中的参数参考结果进行调试（modeling calibration） 。即通过调试输入参数，使模拟结果数据与实测数据偏差最小，这时得到 的参数视为最佳参数。通过模型调试，模拟结果数据与实测数据不仅误差小，且体现 了一致的变化规律。文献又用以及其他 5 种不同类型的地埋管换热器选型软件，各自 了计算系统所需的埋管深度， 不同最大热泵进口温度限值下， 各个软件结果相差较大， 最大与最小埋管深度相差达 1 倍。分析原因是因软件编制的数学模型的基本假设不 同97。 magraner98比较了一个地埋管热泵系统的标准气象条件下的设计预测性能与实 测能耗性能的结果。实测能耗性能通过监测的温度、流量、能耗得出。设计预测能耗 性能通过 dst 模型模拟建模计算得到，采用实测的负荷为输入，使用热泵铭牌容量 和能效。比较结果：设计预测能效比实测高 15%到 20%。通过灵敏性分析，热泵的铭 牌效率是对模拟能效变化的最大影响因素。可见实测和模拟结果的差异主要由于部分 负荷下热泵性能降低。 3. 反应系数模型 fisher99提出观点：对于地源热泵系统的详尽分析和模拟的工作还很少，长期的 动态土壤传热影响系统的性能，所以一年或多年的模拟对系统设计有特别意义。文中 考虑全年的建筑负荷和长期的土壤热反应。采用 energyplus 模拟全年的建筑负荷，在 energyplus 中建立水源热泵模型和垂直地埋管换热器模型，垂直地埋管换热器模型根 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 12 据 eskilson 的 gfunctions 模型，计算时变热流的温度反应，结合时间步长负荷累积算 法提高计算效率。在稳态周期负荷（包括波动的取热流）下，模型与解析解相差小于 2 度。热泵模型预测大幅度变化的运行工况的热流和功率，与厂家发布数据误差在 10%以内。采用 oklahoma 州的混合地源热泵实验室的实验数据验证热泵和地埋管换 热器模型。系统模拟的结果与实验数据对比，平均地埋管换热量预测误差小于 6%， 而平均热泵功率预测误差小于 4%。类似 energyplus 的其他建筑能耗模拟程序，如 equest 也采用 eskilsons 的 gfunctions 模型100。 cui101模拟了一个炎热地区的居住建筑同时供冷和生活热水的地埋管系统，采用 hvacsim+通用空调软件。hvacsim+的地埋管换热器模型采用 eskilson 的 gfunctions 模型102。研究的地埋管系统用于香港一个小型居住建筑，用标准气象年做 了逐时计算，结果表明这种混合系统适于炎热地区的居住建筑。 采用 eskilsons 的 gfunctions 模型还有 glhepro 软件，该软件预测地埋管换热 器的多年月负荷下的温度响应，管的循环流体视为 1 维稳态传热热阻103。 4. cfd 数值模型 esen 以一个实验室的地埋管热泵系统进行了模拟预测， 并与实验数据系统结果比 较，土壤温度变化的结果实验与模拟一致。水平地埋管换热器模拟采用有限差分的数 值计算方法。实测制热系统 cop 为 2.73.8104。 li 针对一个天津地埋管热泵系统，采用多孔介质 cfd 模拟软件模拟垂直地埋管 换热器，计算了 30 年运行的土壤温度变化，并且与实际测试对比温度变化与热量平 衡105。 1.3.3.2 地源热泵系统的逆向模拟 正向模型调试法是一种逆向模拟方法。通过调试系统参数值，使正向模型的计算 结果接近实测数据。以用来预测。该方法建模复杂，需要输入的参数多，工作量大， 选择不同的调试参数影响模拟的精度。另一种逆向模拟方法为建模专用的逆向模型。 逆向模型描述系统内在属性参数少，通常形式简单，采用能集成反映系统特点的少数 参数。 1. 正向模型调试法 地埋管换热器模型需要设定相当多的参数，包括几何布置、流体热物性、回填料 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 13 和土壤。在这些参数中主要影响结果灵敏度的几个参数：土壤原始温度、回填料有效 导热系数（或土壤热容） 、土壤有效导热系数，难以准确估计。在大规模系统中，通 常这几个参数通过现场的热物性测试得出106。但是由于各种不确定性，如土壤的不 均匀的自然属性、因季节的地表温度波动引起的土壤原始温度随时间变化、u 形管在 井内高度上的距离变化、打井直径的变化，等等。因此用前期现场的热物性测试的数 据和估计参数，计算的结果有时不能与实测一致。用最小二乘法，以