地源热泵模型

土壤源热泵地埋管换热器计算模型汇报人：2023-12-28•土壤源热泵地埋管换热器概述•土壤源热泵地埋管换热器设计计算目录•土壤源热泵地埋管换热器性能分析•土壤源热泵地埋管换热器优化设计•土壤源热泵地埋管换热器工程实例目录01土壤源热泵地埋管换热器概述定义土壤源热泵地埋管换热器是一种利用地下土壤作为热源和热汇的换热器，通过地埋管与地下土壤进行热交换，实现供暖或制冷的目的。

工作原理地埋管通常采用高密度聚乙烯管或无缝钢管，通过在地下钻孔或沟槽埋设，与土壤进行热交换。

在冬季供暖时，地埋管从地下吸收热量，通过热泵系统将热量提取到室内；在夏季制冷时，地埋管将室内的热量传递到地下土壤中。

定义与工作原理农业设施供暖在农业设施中，如温室、养殖场等，土壤源热泵地埋管换热器可以提供稳定的温度环境，促进植物生长和动物养殖。

游泳池和水景供暖在游泳池和水景等水体中，土壤源热泵地埋管换热器可以提供恒定的温度，保持水体的舒适性。

住宅和商业建筑供暖和制冷土壤源热泵地埋管换热器适用于新建和既有建筑供暖和制冷的需求，具有高效、节能、环保等优点。

土壤源热泵地埋管换热器的应用土壤源热泵地埋管换热器的优势与局限性优势土壤源热泵地埋管换热器具有高效、节能、环保、稳定等优点，能够满足不同建筑和设施的供暖和制冷需求。

同时，地埋管换热器不占用室内空间，对建筑布局和美观度影响较小。

局限性土壤源热泵地埋管换热器在设计和安装过程中需要考虑地质条件、气候条件等因素的影响，同时需要合理配置热泵系统和控制系统，以保证系统的稳定性和能效。

此外，地埋管换热器的初投资较高，需要综合考虑其长期运行成本和经济效益。

02土壤源热泵地埋管换热器设计计算土壤比热容表示土壤吸收或释放热量时温度的变化程度，计算时需考虑土壤的成分和密度。

土壤初始温度和边界条件确定土壤初始温度以及土壤与地埋管换热器的边界条件，有助于准确模拟地埋管换热器的传热过程。

土壤导热系数根据土壤类型、含水量、温度等因素计算土壤的导热系数，是地埋管换热器传热计算的重要参数。

华中科技大学硕士学位论文2 系统动态模型的建立典型的土壤源热泵系统主要由三部分组成，即用户末端、热泵机组和地下埋管换热部分，系统性能是这三部分共同作用的结果。

其中典型的热泵机组由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器所组成；地下埋管换热部分有地下埋管和U型管换热器组成；空调末端部分主要是风机盘管。

系统结构简图如下：图2-1土壤源热泵系统的结构示意图有关热泵系统的数学模型研究，国内外发表了不少文章[34～39]，主要是针对系统参数的耦合、结构优化与具体定量计算等，但这些模型和算法都比较复杂，较适合于研究机组各部件之间的最佳匹配，制冷剂储存量的分配等内容，计算量较大。

而本文对热泵机组研究的主要目的是预测某特定结构热泵机组在具体运行工况下的动态仿真，包括蒸发器和冷凝器的进出水温度、耗电量以及制冷量等运行参数的变化特性。

热泵机组运行过程中,组成该系统的各个部件同时在运行，都对系统的状态产生影响，每一个部件的运行参数与其他部件的运动参数都是相互影响、相互关联的。

以土壤源热泵系统来说，不仅仅是热泵机组内部参数之间的具有耦合性，热泵与地下循环水参数及空调末端房间空调参数有存在着耦合关系。

因此，热泵机组的数学模型，必然要由各部件的数学模型所构成，并且要能反映出运行参数的相互耦合关系。

土壤源热泵系统的显著特征是用地下埋管换热器回收土壤热源，换热器的传热华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文受到地区气候、土壤等因素的影响。

不同地区的土壤环境条件，就会产生不同的埋管换热效果。

而这换热过程的强弱必然使埋地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[40]。

本文以夏季热泵制冷为例，通过建模来分析地源热泵系统各部分与热泵机组各部件的关系，根据质量守恒、能量守恒原理建立数学模型。

,?1h h图2-2 地源热泵系统夏季运行耦合关系在建模过程中要用到制冷剂热力学性质，本文水源热泵机组采用的循环工质是R22。

地源热泵系统模型与仿真曲云霞地源热泵空调系统利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋设于地下的封闭环路中循环流动,与大地进行热量交换,进而由热泵实现对建筑物的空调。

与传统空调方式比较,地源热泵空调系统利用可再生能源,具有节能和环保的特点。

它在欧美已有数十年的历史,近年来在中国受到广泛关注,并已开始得到应用。

但是有关地热换热器的设计、地源热泵空调系统的性能预测、系统的优化设计等方面的研究还很不完善,也缺乏相应的规范,这在很大程度上制约了地源热泵的应用。

本文在山东省重大科技攻关项目资助下,对组成地源热泵系统的各个环路进行了研究,并利用能量守衡和质量守衡原理建立了地源热泵系统仿真模型。

本文的主要研究内容和成果如下：(1)竖直U型埋管地热换热器的传热模型。

对单个钻孔的传热划分为两个区域分别进行研究。

在钻孔周围区域,将竖直U型管的传热简化为有限长线热源的传热问题,采用格林函数法首次得到了有限长线热源温度分布的解析解。

由此得到工程上所关心的钻孔壁的代表性温度在恒定热流情况下随时间的变化。

与钻孔周围区域传热过程相比,由于钻孔内材料的热容量较小,因此除了讨论短时间(数小时)的瞬变传热问题以外,可以忽略钻孔内材料的热容量,把该部分的传热近似作为稳态传热处理。

本研究同时考虑了U型管内流体沿流动方向的导热,首次建立了U型管内流体的准三维模型。

该模型突破了国际上惯用的半经验公式的方法,通过理论分析首次得到了地热换热器流体进出口温度随地热换热器结构和负荷变化的解析解表达式。

通过引入了地热换热器钻孔内效能的概念,从理论上定量分析了钻孔内各项参数、尤其是两支管之间的热短路对传热的影响,为地热换热器的优化设计奠定了理论基础。

实际的地热换热器负荷是逐时变化的,所建立了地热换热器的动态传热模型把地热换热器随时间变化的负荷分解为一系列脉冲负荷,利用叠加原理建立了瞬变热流的地热换热器模型,进而可以确定在随时间任意变化的负荷作用下任一时刻的温度响应。

地源热泵系统模型与仿真地源热泵系统模型与仿真地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）是一种高效而环保的供热和供冷系统。

它利用地下的稳定温度来调节室内温度，并能通过回收废热实现节能。

为了实现地源热泵系统的设计和优化，研究人员开发了各种模型和仿真工具。

本文将介绍地源热泵系统的基本原理，探讨其模型和仿真方法，并分析其在实际应用中的意义。

地源热泵系统由地下换热器、热泵机组、热交换器和用户终端组成。

地下换热器通过埋设在地下的地源热井，利用地下恒定的温度来提供稳定的热源。

地下换热器的设计涉及地下水流率、管道布局等因素，可以利用模型预测和优化其性能。

热泵机组利用压缩机和制冷剂循环来实现热量的转移，从而提供供热或供冷能力。

热交换器用于在供热和供冷模式之间切换，以满足用户需求。

用户终端通过热交换器将热量传送到室内或室外，实现热量的传递或抽取。

为了实现对地源热泵系统的建模和仿真，可以采用物理模型和数学模型。

物理模型是基于地源热泵系统的实际工作原理，通过建立能量平衡方程和热传导方程来描述热量的传输和转移过程。

物理模型可以更加准确地预测地源热泵系统的性能，但也需要大量的参数和实验数据来支持。

数学模型是通过研究地源热泵系统的规律和特征来建立的，通常采用代数方程或微分方程来描述热量的流动和转换。

数学模型可以通过简化和抽象地源热泵系统的复杂性来实现计算和优化，但也可能忽略一些实际工作中的细节。

地源热泵系统的仿真是指利用计算机软件或模拟工具来模拟和分析地源热泵系统的运行和性能。

仿真可以通过改变参数和运行条件来预测系统的响应和性能，从而指导系统设计和运行。

在仿真过程中，可以使用物理模型或数学模型来描述地源热泵系统，并结合实际工作条件和数据进行计算。

仿真工具可以帮助工程师和设计师快速评估不同设计和优化方案的效果，从而减少实际试验和调整的成本和时间。

地源热泵系统的模型和仿真对于其设计和优化具有重要意义。

首先，模型和仿真可以帮助理解和分析地源热泵系统的工作原理和性能。

专题研讨地源热泵夏季性能测试及传热模型重庆大学程群英m罗明智孙纯武刘宪英摘要对50m深埋地下换热器地源热泵系统夏季间歇运行时的制冷性能进行了测试,分析了系统运行对地温的影响,提出采用混合系统来解决重庆地区冬夏季土壤中吸热、放热不平衡的问题,引入圆柱源理论建立了垂直U型管传热模型,模拟结果与实验结果吻合较好。

关键词地源热泵地下换热器传热模型性能测试Performance test of ground source heat pump systemsin summer and heat transfer modelB y Cheng Qun yin g n,L uo M in gzh i,Sun Ch unwu an d L iu X ianyingAbstract T ests the re fr ige ra ting perf o rma nce o f the gr ound so ur ce he at pump syste m w ith50-metr e-dee p buried under gr ound e xchange r oper ating inte rmittently in summer.Analyses the eff ect o f system oper ation o n under gr o und tem per at ur e.Suggests ado pting mixed syste m t o solve the pr o blem of the rma l imbalance betw een sum mer and w inte r in Chong qing are as.I ntro ducing the cy lindr ica l heat so ur ce theo ry, establishes a ve rtical U-type hea t tra nsfer mo de l.T he sim ulated re sults tally w ith the e xperimenta l data.Keywords g r ound so ur ce hea t pump,under gr o und exchang er,heat tr ansf er model,per fo r mance test n Chongqing Univers ity,Chongqing,Chi na①0引言据统计,2002年中国的建筑能耗约占总能耗的27.6%[1],建筑物中的大部分能耗主要用于供暖、空调和热水供应。

地源热泵地下换热器的传热模型的综述作者：曹艺来源：《科学之友》2009年第26期摘要：在总结埋管传热理论的基础上，系统地介绍了国外关于地源热泵系统地下埋管换热器传热模型的研究进展，并给出了各传热模型的形式及其理论基础。

关键词：地源热泵；传热模型中图分类号：TU831.3文献标识码：A文章编号：1000-8136(2009)26-0114-02地源热泵作为一项高效节能、绿色环保型的空调技术，在国外已成为一种广泛采用的供热空调方式，而在国内正处于研究和应用推广阶段，有着巨大的发展潜力。

而作为地源热泵应用关键技术之一的地下埋管传热模型研究，一直是国内外地源热泵研究的一个重点和难点。

地源热泵地下换热器在土壤中的传热受许多因素的影响：包括水分迁移、回填材料的性能、换热器周围土壤是否发生相变、系统运行方式以及沿管长方向土壤物性的变化等等。

如何全面地描述地下换热器的传热情况，确定最佳的地下换热器尺寸是发展和推广地源热泵系统的关键内容，也一直是地源热泵系统研究的难点和热点。

1已有地下换热埋管传热模型及相关方法1.1NWWA模型NWWA模型用无限长线热源模型来描述钻孔周围土壤的温度场是一种目前工程实际中应用较多的方法，也是一种比较简单的方法。

Ingersoll利用开尔文的线热源理论，对确定无限大介质内任一点的温度进行了详细的描述，一个最基本的假定是管子和线热源必须是无限长，这样热流才可以看作是一维径向热流。

Ingersoll方法只是对实际传热过程的粗略近似，对管子之间的热短路、运行时间对周围土壤的特性的影响等都没有考虑，也没有进一步的修正，因此这个模型的应用受到一定的限制。

1.2IGSHPA模型国际地源热泵组织协会(Intemafional Ground Source HeatPump Association)所用的设计、模拟竖直埋管地热换热器的方法也是无限长线热源模型。

Bole[3、4]提出了根据一年中的最冷月和最热月确定地热换热器长度的方法，然后可以使用温频法计算季节性能系数和系统能耗。

闭环地源热泵空调系统模型由于地源热泵地下换热的影响因素多、设计难度大，基础数据不足，某些参数的选择不当会造成工程造价难以接受，限制了该项技术，所以直到上个世纪80年代后期才在商业、民用建筑的空调系统中采用。

最近几年，大量报道反映了国外进行的工作和取得的成果[1]。

由于它的环保和节能特点，地源热泵空调系统在国内正在受到越来越多的关注，特别是近几年，国内开始有了地源热泵空调系统的实际工程。

因此，地源热泵的设计细节、及其与传统建筑系统匹配的资料很少，对地源热泵工程实例的调研和经验总结是国际上地源热泵研究的一个重要方面。

在地源热泵系统中，地热换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是也是该项技术研究的核心和应用的基础。

现有的地热换热器设计方法大都基于美国和欧洲对地热换热器的试验研究。

国内有关地源热泵的研究重点均放在地热换热器的试验研究上，也分别给出了相关的实验结果。

由于缺乏对换热器在土壤中复杂的传热机理的深入研究，使得所得结论只适用于某一具体实验系统，理论性较差，提供的基础数据又较少，因而难于指导实际的工程设计。

因此，目前研究的内容之一是建立更接近于实际情况的地热换热器传热模型。

众所周知，地源热泵系统的特性主要由两部分决定：一是地热换热器的长度和配置，二是与之相匹配的热泵机组的性能。

因此在地热换热器配置已定的情况下，地源热泵系统的性能如何是目前工程中最关心的问题。

所以本文的另一个研究内容是建立地热换热器与热泵机组的动态模型，并通过试验验证模型的准确性。

1.地热换热器模型综述根据布置形式的不同，闭环地热换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。

竖直埋管地热换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地热换热器，通常采用u型埋管的形式。

u型埋管地热换热器也就是一个钻孔中布置u型管，再加上回填材料，与周围土壤构成一个整体。

一个钻孔中可以设置单组u型管，也可以设置两组u型管。

竖直埋管占地面积小，传热效率高，在工程中得到了广泛的应用，本文主要以工程中应用最广的单u型管为例1。

地源热泵COP经验模型的初步探讨（土壤源）地源热泵机组：关于空气热源热泵机组的COP值基于神经网络的汽车空调系统变工况运行的仿真研究制冷系统蒸发器过热度控制回路的MATLAB仿真小机组制冷在 4.5－ 5.0，制热在 3.2－ 3.5.大机组制冷在5.0－5.6，制热在3.3－3.8.摘要：地源热泵通过输入少量的高品位能源，实现由低温位热能向高温位热能转移，是一种高效节能的空调设备。

相对于一般的空调系统，地源热泵凸显出了越来越大的节能潜力，衡量这一标准的一个重要参数就是机组运行的COP，目前的节能评估多是针对具体的某一项工程根据主机制冷量和耗电量进行COP计算，而COP的经验计算公式尚未给出。

本文在深入分析地源热泵具体运行模式的基础上，首先通过主成分分析找出影响COP的几个重要参数，然后基于量纲分析的理论运用Matlab 非线性拟合工具得出COP的经验模型，最后通过武汉市18个具体工程项目进行验证，运用该模型得出的COP理论值与实际值误差均控制在1%的范围内，精确度较高。

关键词：地源热泵、COP、经验公式、主成分分析、量纲分析、Matlab非线性拟合、高精度。

Abstract:Ground source heat pump realizes heat transfer from low temperature to high temperature through inputing a small amount of high grade energy, , which is a kind of high energy efficiency air conditioning equipment. By contrast to the general air conditioning system, ground source heat pump highlights the potential of energy saving more and more.As far as the evaluation of a specific air conditioning unit’s operation is concerned, one of the important parameters is its COP. However the current energy-saving assessment puts more emphasis on the COP calculation of a specific project through the air conditioning unit’s refrigerating capacity and electric energy consumption, and the COP empiricalformula has not been given yet . Based on the thorough analysis of ground source heat pump’s concrete operation, first of all,by principal component analysis we try to find the influential several important parameters of the COP ,then on the basis of the theory of dimension analysis using Matlab nonlinear fitting tool we get the empirical model of the COP, at last we verified the model through the 18 specific projects in wuhan city that the error between the actual value of the COP and the value of the COP from the empiricalformula is controled in the range of 1%, so the model is of high precision. Keywords:ground soure heat pump,the COP,empirical fomula,Principal component analysis,nonlinear fitting based on Matlab,high precision.0引言地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。

地源热泵系统中一个地热井的地热井模型摘要热泵是一种为一个空间在冬天提供加热和在夏季提供降温的机械系统。

他们越来越受欢迎，这取决于它们操作周期的选择上，因为相同的系统可以提供了两种冷却模式。

为了进行适当的操作，热泵必须连接到一个恒定的温度，在传统系统中的热储层是环境空气。

在地下水源热泵，地下地下水作为热储层。

要进入地下地下水，“地热”威尔斯钻入地层。

建筑供暖或冷却系统的水通过威尔斯循环，从而促进冷却液水和地下地层之间的热交换。

提高效率的加热和冷却的潜力，提高了利用地源热泵空调系统。

此外，它们的相容性与自然发生的和稳定的热储层增加了其在可持续发展或绿色建筑和人造环境设计中的应用地下水流影响热威尔斯的温度响应，由于热对流的热物理运动的地下水通过含水层。

这一课题的研究在地热文献中是少见的。

本文介绍了一种“地热”井的水力地下水流导通和对流热分散的解析解的推导。

这种分析对渐近分析的解决方案进行了验证。

传统的恒线热源溶液是依赖于地层的热性能，其中最主要的是热传导率。

结果表明，随着液压地下水流的增加，地面形成的热传导率的影响，以及减少的温度响应。

在佩克莱特数递减参数的影响明显；比较热平流从液压地下水流动热传导和分子扩散。

关键词：热存储；地面耦合热泵；地热井；立柱井；井田；分析模型；液压流量；地下水流简介热威尔斯研究本文通过流动的工作液通过热流体动力学相互作用与地面形成的操作。

其他热的类型，如封闭回路接地热交换器，不允许工作流体与地面互动，但遵循相同的基本原则。

图1显示了一个热的基本功能。

这样一个问题的物理可以分为不同的时间制度。

早期的热响应依赖于热质量的流体作为主要的存储机制，为热能。

一旦井液是热饱和的，以及在轴向方向上的热的档案，热物理成为依赖于地面形成的热和液压性能。

图1：一个可以忽略不计的水力流动的热的一般操作。

一个外部负载被施加到通过工作流体的流动的一个环和一个回流管有许多分析和数值模型来模拟热威尔斯，所有的限制和假设。

地源热泵系统原理图绿色建筑与可持续发展是人类未来生存的必然趋势，是全球重点关注的问题；作为目前对环境最友好和最有效的供热、供冷系统，地源热泵是是解决建筑采暖制冷、能源节约和环保问题最有效方式之一。

从北美、欧洲到中国，地源热泵系统已经过几十年的应用，目前地源热泵技术已相对成熟，我们可以通过地源热泵系统原理和地源热泵系统运行原理图，来认识地源热泵系统核心优势。

什么是地源热泵地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。

地源热泵简易的可以理解为：夏天制冷时将排放出来的热量放入大地储存好，到了冬天又将储存好的热量释放至室内供暖。

中间换热介质是地下水，地下水具有恒温储热功能，节能环保、提高效益。

整个系统通过热泵机组向建筑物供冷供热，利用可再生能源、高效节能、无污染，集制冷、制热、生活热水于一体，可广泛应用到各种建筑中。

地源热泵系统原理图地源热泵系统原理：制冷模式在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。

通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。

在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。

上图为夏天时，地源热泵系统运行原理图地源热泵系统原理：供暖模式在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。

由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。

在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。

上图为冬天时，地源热泵系统运行原理图“冬暖夏凉”的地温资源1. 与空气源热泵比，空气源热泵冬季从低温的空气中取热，夏季还需将空调热释放到高温的室外环境中去，地源热泵的冬、夏季运行效率均较高，综合节能在50%以上。

地下水源热泵系统热平衡模拟三维数值模型骆祖江;李伟;王琰;张德忠;方连育【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2014(000)002【摘要】In order to simulate and predict the change law of heat balance accurately and avoid heat penetration phenomenon during the groundwater heat pump operation, a three dimensional coupling numerical model of groundwater seepage and thermal transport was established and applied to the demonstration project of groundwater heat pump system in Zhengding, Hebei province. The model was based on the groundwater seepage theory, saturated water-bearing medium thermal transport theory and Terzaghi effective stress principle, combined with the design scheme and operation situation of groundwater heat pump, the future heat balance development tendency of groundwater heat pump system under three different conditions was forecasted and analyzed. The water temperature difference between the pumping well and recharge well reduced by 20%(eight degree centigrade) or increased by 20%(twelve degree centigrade) was the first condition which means the cooling and heating load was kept constant. Second condition was the water temperature difference between pumping well and recharge well confirmed and the circulating water volume increased by 20%, or the volume of circulating water kept constant and water temperaturedifference between pumping well and recharge well increased 20%, which means the cooling and heating load was increased. Meanwhile, in the third condition, the cooling and heating load was reduced. The water temperature difference between the pumping well and recharge well was confirmed and the volume of circulating water reduced 20%, or the water temperature difference between pumping well and recharge well reduced 20%while the circulating water volume kept constant. It was shown that there is a heat penetration phenomenon between the pumping well and recharge well in the demonstration project under the condition of design scheme, which has one pumping well and one recharge well. When the cooling and heating load of the groundwater heat pump system is confirmed, increasing 20% of the water temperature difference between the pumping well and recharge well is more conducive to remiting the heat penetration between the pumping well and recharge well than reducing 20%of the water temperature difference between pumping well and recharge well. In addition, when the cooling and heating load of the groundwater heat pump system is increased, increasing 20%of the water temperature difference between the pumping well and recharge well is a more efficient method for remiting the heat penetration between pumping well and recharge well than reducing 20%of the circulating water volume. Meanwhile, when the cooling and heating load of the groundwater heat pump system is reduced, reducing 20% of the circulating water volume is more conducive to remiting the heat penetration between pumping well and recharge well than reducing 20% of water temperature differencebetween the pumping well and recharge well. This research indicates in the groundwater heat pumping system, reducing circulating water volume and increasing water temperature difference between pumping well and recharge well can remit heat penetration phenomenon effectively.%为了准确模拟预测地下水源热泵系统运行期间的热平衡变化规律特征，避免未来地下水源热泵系统运行期间出现的热贯通现象。