張宇+黃巧玲+賴振彬

【摘要】本文通過(guò)分析地源熱泵系統(tǒng)的組成，分別建立了地源熱泵系統(tǒng)的三個(gè)組成環(huán)路的數(shù)學(xué)模型：地下埋管換熱器環(huán)路模型、熱泵機(jī)組環(huán)路模型、末端水環(huán)路模型。通過(guò)質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒關(guān)系，利用MATLAB-SIMULINK模塊，搭建整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵;仿真模型;動(dòng)態(tài)仿真

Simulation study of ground source heat pump hot water system

Zhang Yu1，2，Huang Qiao-ling1，2，Lai Zhen-bin1，2

（1.Guizhou Province Building Research and Testing CenterGuiyangGuizhou550000;

2.Scientific Research and Design Institute of Guizhou building constructionGuiyangGuizhou550000）

【Abstract】Through the analysis of the ground source heat pump components， we set up a ground source heat pump composed of three loops ： Underground heat exchanger loop， loop heat pump units， the end of the water loop mathematical model. Adoption of conservation equation of mass， energy and momentum conservation equation， it structures the system dynamic simulation model with MATLAB-SIMULINK module and GUI visualization interface design.

【Key words】Ground source heat pump;Simulation model;Dynamic simulation

1. 前言

（1）近年來(lái)，由于能源危機(jī)的產(chǎn)生，以及對(duì)環(huán)保的重視，使得對(duì)地源熱泵的研究越來(lái)越普遍。合理地建立地源熱泵的模型，是研究地源熱泵的運(yùn)行特性和合理匹配熱泵各部件使其達(dá)到最佳運(yùn)行特性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文將建立地源熱泵系統(tǒng)的各環(huán)路數(shù)學(xué)模型，通過(guò)質(zhì)量守恒，能量守恒和動(dòng)量守恒關(guān)系，在MATLAB-SIMULINK環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真模型。輸入地源熱泵系統(tǒng)的初始參數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)配置下相應(yīng)的參數(shù)，輸出系統(tǒng)的冷凝溫度，蒸發(fā)溫度和室內(nèi)溫度的變化曲線，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)仿真的目的。本文只對(duì)冬季工況進(jìn)行仿真。其冬季工況的系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1地源熱泵系統(tǒng)示意圖

（2）系統(tǒng)由三個(gè)環(huán)路組成，分別是地下埋管換熱器環(huán)路、熱泵機(jī)組環(huán)路、末端水環(huán)路，如圖1所示。用地下埋管換熱器回收土壤的低位熱源，蒸發(fā)器中的制冷劑吸收土壤的熱量開(kāi)始蒸發(fā)，制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)變成高溫高壓的氣體，再經(jīng)過(guò)冷凝器，跟冷凝器中的冷凝水換熱，冷凝器中的冷凝水吸收致冷劑的熱量后溫度上升，熱水就供給用戶。而制冷劑再經(jīng)過(guò)膨脹閥變成低溫低壓的液體流入蒸發(fā)器，這就完成了一個(gè)工作循環(huán)。

2. 地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1地下埋管換熱器數(shù)學(xué)模型。

包括地下循環(huán)水與土壤之間的傳熱。假設(shè)土壤的溫度是恒定不變的，設(shè)地下循環(huán)水與土壤恒溫層有一定厚度進(jìn)行傳熱，從而可簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的溫差傳熱過(guò)程，可用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算。傳熱方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）：

mecp（teo-tei） ? =kgfg ?teo-teiln tg-tei tg-te0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中

me——蒸發(fā)器水側(cè)循環(huán)流量，Kg/s;

cp——水的比熱，k J/（Kg·k）;

te0——蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度，℃ ;

tei ——蒸發(fā)器進(jìn)口循環(huán)水溫度，℃;

tg——地下土壤平均換熱溫度，℃;

kg ——地下傳熱系數(shù)，W/（ ?m2·k）;

fg ——地下?lián)Q熱器總面積， ;

2.2熱泵機(jī)組環(huán)路數(shù)學(xué)模型;

2.2.1蒸發(fā)器和冷凝器數(shù)學(xué)模型。

與壓縮機(jī)和膨脹閥相比，冷凝器和蒸發(fā)器的模型和模擬方法更為復(fù)雜，涉及到的輸入和輸出參數(shù)也更多。根據(jù)模擬方法的不同，換熱器的模型一般分為穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。在蒸發(fā)器和冷凝器中，工質(zhì)的焓降應(yīng)等于工質(zhì)與循環(huán)水間的傳熱，也等于循環(huán)水進(jìn)出口的內(nèi)能增量。其傳熱方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（2）和公式（3）：

mecp（ teo-tei） ?=kefe teo-teiln teo-te tei-te =m（h2-h1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

mccp（ tco-tci） ?=kcfc tco-tciln tc-tci tc-tco =m（h3-h4） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中

m——工質(zhì)流量，Kg/s;

mc ——冷凝器水側(cè)循環(huán)水流量，Kg/s;

tci——冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度，℃;

tco ——冷凝器出口循環(huán)水溫度，℃ ;

ke ——蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fe ——蒸發(fā)器的換熱面積，m2

kc ——冷凝器的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）

fc ——冷凝器的換熱面積，m2 。

2.2.2壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型。

目前常用的壓縮機(jī)建模方法有效率法、圖形法等。效率法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即將壓縮機(jī)中復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)的效率，如容積效率、指示效率、摩擦效率等。圖形法是根據(jù)廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線進(jìn)行回歸的建模方法，適用于某一型號(hào)的壓縮機(jī)在特定工況下的性能。本文采用圖形法建模，通過(guò)具體壓縮機(jī)樣本提供的工況數(shù)據(jù)擬合出關(guān)聯(lián)的輸氣系數(shù)表達(dá)式。選用單螺桿壓縮機(jī)，忽略氣缸壁與外部空氣間的熱交換，可得以下表達(dá)式如公式（4）和公式（5）：

VR=ηVH ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

m= VR/3600vs ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：

VR ?——實(shí)際輸氣量， /h;

VH ? ——理論輸氣量， /h;

vs——壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的比容，m3 /Kg;

η——輸氣效率;

2.3末端環(huán)路數(shù)學(xué)模型。

2.3.1假設(shè)房間溫度變化引起的對(duì)室外的傳熱在瞬間達(dá)到穩(wěn)定，忽略管路的沿程損失，可得傳熱方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（6）和公式（7）：

mccp（ tco-tci） ?=khfh（ti-t0） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

mccp（ tco-tci） ?==kpfp tco-tciln tco-ti tci-ti ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中

ti ? ——室內(nèi)溫度，℃;

t0 ? ——室外溫度，℃;

kh ——房間的總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fh——房間的總換熱面積，m2 ;

kp ——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）;

fp——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總換熱面積，m2 。

建立好各個(gè)子系統(tǒng)的仿真模型后，把各個(gè)子系統(tǒng)封裝起來(lái)。但實(shí)現(xiàn)仿真還需要有輸入信號(hào)。本文用室外溫度來(lái)作為仿真的輸入信號(hào)，因?yàn)槭彝鉁囟仁窃诓煌５淖兓?，所以用變正弦波信?hào)來(lái)模擬它的變化。則地源熱泵系統(tǒng)仿真可以實(shí)現(xiàn)，其主程序如圖2。

2.3.2在進(jìn)行地源熱泵的仿真時(shí)，其系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程如下：

（1）對(duì)房間進(jìn)行試算，在仿真程序內(nèi)設(shè)置房間初始參數(shù)（房間空調(diào)面積，傳熱系數(shù)等）。自熱泵機(jī)組開(kāi)啟時(shí)刻起，輸人室外溫度變化擾量，調(diào)用冷凝器子程序，計(jì)算得到室內(nèi)溫度和冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

圖5室內(nèi)溫度變化曲線

圖6蒸發(fā)溫度變化曲線

（2）對(duì)冷凝器進(jìn)行試算，設(shè)置冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)，冷凝器水側(cè)流量，調(diào)用房間和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到冷凝器的冷凝溫度，冷凝器出口循環(huán)水溫度。

（3）對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行試算，設(shè)置蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，蒸發(fā)器水側(cè)流量，調(diào)用地下和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度以及蒸發(fā)器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

（4）對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行試算，設(shè)置壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用房間子程序，獲得工質(zhì)流量。

（5）對(duì)地下埋管換熱器進(jìn)行試算，設(shè)置埋管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用蒸發(fā)器子程序，獲得蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。

（6）最后再調(diào)用冷凝器，蒸發(fā)器及壓縮機(jī)子程序，最終獲得冷凝溫度，蒸發(fā)溫度的變化情況以及工質(zhì)流量（見(jiàn)圖4～圖7）。

圖7冷凝溫度變化曲線

2.3.3從仿真結(jié)果來(lái)看，跟實(shí)際情況基本相符。當(dāng)室外溫度在一3℃至3℃波動(dòng)變化時(shí)，它的室內(nèi)溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化。

（1） 室內(nèi)溫度的初始值為9℃，在運(yùn)行過(guò)程中很快達(dá)到設(shè)定溫度20℃，并在其附近小幅度波動(dòng)，變化曲線如圖4。

（2） 蒸發(fā)溫度在5℃到15℃之間變化，它的曲線表明了隨著室外溫度的升高蒸發(fā)溫度也相應(yīng)的有所增加。它受室外溫度的影響比較大，所以上升曲線比較陡，比冷凝溫度上升得快，變化曲線如圖6。

（3） 冷凝溫度在40℃到55℃之間變化，它的曲線上升得相當(dāng)有規(guī)律，類似于一條直線，但上升的過(guò)程中又有不規(guī)則的波動(dòng)。曲線表明了室外溫度在小范圍內(nèi)波動(dòng)的時(shí)候冷凝溫度受它的影響比較緩慢，上升曲線比較平緩，變化曲線如圖7。

2.3.4仿真的結(jié)果驗(yàn)證了仿真能夠很好地調(diào)節(jié)室內(nèi)換熱量，從而保證了正常的室內(nèi)設(shè)定溫度。從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1） 地源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立理論充分，符合實(shí)際情況，具有一定的推廣作用。

（2） 地源熱泵的仿真模型采用智能控制，失真度較小。

（3） 由于數(shù)學(xué)模型的相對(duì)簡(jiǎn)化以及合理的一些假設(shè)，對(duì)仿真結(jié)果有影響。

（4）可以加入一些忽略的影響因素，使地源熱泵仿真模型更貼近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

[1]丁國(guó)良，張春路著. 制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化[M]. 科學(xué)出版社，2001.

[2]徐偉，郎四維.地源熱泵技術(shù)指南[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[3]曲云霞. 地源熱泵系統(tǒng)模型與仿真[D]. 西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.06.

[4]王勝賢，秦萍. 地源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型研究[D]. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2006.06.

式中

m——工質(zhì)流量，Kg/s;

mc ——冷凝器水側(cè)循環(huán)水流量，Kg/s;

tci——冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度，℃;

tco ——冷凝器出口循環(huán)水溫度，℃ ;

ke ——蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fe ——蒸發(fā)器的換熱面積，m2

kc ——冷凝器的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）

fc ——冷凝器的換熱面積，m2 。

2.2.2壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型。

目前常用的壓縮機(jī)建模方法有效率法、圖形法等。效率法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即將壓縮機(jī)中復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)的效率，如容積效率、指示效率、摩擦效率等。圖形法是根據(jù)廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線進(jìn)行回歸的建模方法，適用于某一型號(hào)的壓縮機(jī)在特定工況下的性能。本文采用圖形法建模，通過(guò)具體壓縮機(jī)樣本提供的工況數(shù)據(jù)擬合出關(guān)聯(lián)的輸氣系數(shù)表達(dá)式。選用單螺桿壓縮機(jī)，忽略氣缸壁與外部空氣間的熱交換，可得以下表達(dá)式如公式（4）和公式（5）：

VR=ηVH ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

m= VR/3600vs ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：

VR ?——實(shí)際輸氣量， /h;

VH ? ——理論輸氣量， /h;

vs——壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的比容，m3 /Kg;

η——輸氣效率;

2.3末端環(huán)路數(shù)學(xué)模型。

2.3.1假設(shè)房間溫度變化引起的對(duì)室外的傳熱在瞬間達(dá)到穩(wěn)定，忽略管路的沿程損失，可得傳熱方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（6）和公式（7）：

mccp（ tco-tci） ?=khfh（ti-t0） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

mccp（ tco-tci） ?==kpfp tco-tciln tco-ti tci-ti ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中

ti ? ——室內(nèi)溫度，℃;

t0 ? ——室外溫度，℃;

kh ——房間的總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fh——房間的總換熱面積，m2 ;

kp ——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）;

fp——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總換熱面積，m2 。

建立好各個(gè)子系統(tǒng)的仿真模型后，把各個(gè)子系統(tǒng)封裝起來(lái)。但實(shí)現(xiàn)仿真還需要有輸入信號(hào)。本文用室外溫度來(lái)作為仿真的輸入信號(hào)，因?yàn)槭彝鉁囟仁窃诓煌５淖兓?，所以用變正弦波信?hào)來(lái)模擬它的變化。則地源熱泵系統(tǒng)仿真可以實(shí)現(xiàn)，其主程序如圖2。

2.3.2在進(jìn)行地源熱泵的仿真時(shí)，其系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程如下：

（1）對(duì)房間進(jìn)行試算，在仿真程序內(nèi)設(shè)置房間初始參數(shù)（房間空調(diào)面積，傳熱系數(shù)等）。自熱泵機(jī)組開(kāi)啟時(shí)刻起，輸人室外溫度變化擾量，調(diào)用冷凝器子程序，計(jì)算得到室內(nèi)溫度和冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

圖5室內(nèi)溫度變化曲線

圖6蒸發(fā)溫度變化曲線

（2）對(duì)冷凝器進(jìn)行試算，設(shè)置冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)，冷凝器水側(cè)流量，調(diào)用房間和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到冷凝器的冷凝溫度，冷凝器出口循環(huán)水溫度。

（3）對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行試算，設(shè)置蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，蒸發(fā)器水側(cè)流量，調(diào)用地下和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度以及蒸發(fā)器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

（4）對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行試算，設(shè)置壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用房間子程序，獲得工質(zhì)流量。

（5）對(duì)地下埋管換熱器進(jìn)行試算，設(shè)置埋管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用蒸發(fā)器子程序，獲得蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。

（6）最后再調(diào)用冷凝器，蒸發(fā)器及壓縮機(jī)子程序，最終獲得冷凝溫度，蒸發(fā)溫度的變化情況以及工質(zhì)流量（見(jiàn)圖4～圖7）。

圖7冷凝溫度變化曲線

2.3.3從仿真結(jié)果來(lái)看，跟實(shí)際情況基本相符。當(dāng)室外溫度在一3℃至3℃波動(dòng)變化時(shí)，它的室內(nèi)溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化。

（1） 室內(nèi)溫度的初始值為9℃，在運(yùn)行過(guò)程中很快達(dá)到設(shè)定溫度20℃，并在其附近小幅度波動(dòng)，變化曲線如圖4。

（2） 蒸發(fā)溫度在5℃到15℃之間變化，它的曲線表明了隨著室外溫度的升高蒸發(fā)溫度也相應(yīng)的有所增加。它受室外溫度的影響比較大，所以上升曲線比較陡，比冷凝溫度上升得快，變化曲線如圖6。

（3） 冷凝溫度在40℃到55℃之間變化，它的曲線上升得相當(dāng)有規(guī)律，類似于一條直線，但上升的過(guò)程中又有不規(guī)則的波動(dòng)。曲線表明了室外溫度在小范圍內(nèi)波動(dòng)的時(shí)候冷凝溫度受它的影響比較緩慢，上升曲線比較平緩，變化曲線如圖7。

2.3.4仿真的結(jié)果驗(yàn)證了仿真能夠很好地調(diào)節(jié)室內(nèi)換熱量，從而保證了正常的室內(nèi)設(shè)定溫度。從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1） 地源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立理論充分，符合實(shí)際情況，具有一定的推廣作用。

（2） 地源熱泵的仿真模型采用智能控制，失真度較小。

（3） 由于數(shù)學(xué)模型的相對(duì)簡(jiǎn)化以及合理的一些假設(shè)，對(duì)仿真結(jié)果有影響。

（4）可以加入一些忽略的影響因素，使地源熱泵仿真模型更貼近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

[1]丁國(guó)良，張春路著. 制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化[M]. 科學(xué)出版社，2001.

[2]徐偉，郎四維.地源熱泵技術(shù)指南[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[3]曲云霞. 地源熱泵系統(tǒng)模型與仿真[D]. 西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.06.

[4]王勝賢，秦萍. 地源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型研究[D]. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2006.06.

式中

m——工質(zhì)流量，Kg/s;

mc ——冷凝器水側(cè)循環(huán)水流量，Kg/s;

tci——冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度，℃;

tco ——冷凝器出口循環(huán)水溫度，℃ ;

ke ——蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fe ——蒸發(fā)器的換熱面積，m2

kc ——冷凝器的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）

fc ——冷凝器的換熱面積，m2 。

2.2.2壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型。

目前常用的壓縮機(jī)建模方法有效率法、圖形法等。效率法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，即將壓縮機(jī)中復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)的效率，如容積效率、指示效率、摩擦效率等。圖形法是根據(jù)廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線進(jìn)行回歸的建模方法，適用于某一型號(hào)的壓縮機(jī)在特定工況下的性能。本文采用圖形法建模，通過(guò)具體壓縮機(jī)樣本提供的工況數(shù)據(jù)擬合出關(guān)聯(lián)的輸氣系數(shù)表達(dá)式。選用單螺桿壓縮機(jī)，忽略氣缸壁與外部空氣間的熱交換，可得以下表達(dá)式如公式（4）和公式（5）：

VR=ηVH ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

m= VR/3600vs ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：

VR ?——實(shí)際輸氣量， /h;

VH ? ——理論輸氣量， /h;

vs——壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的比容，m3 /Kg;

η——輸氣效率;

2.3末端環(huán)路數(shù)學(xué)模型。

2.3.1假設(shè)房間溫度變化引起的對(duì)室外的傳熱在瞬間達(dá)到穩(wěn)定，忽略管路的沿程損失，可得傳熱方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（6）和公式（7）：

mccp（ tco-tci） ?=khfh（ti-t0） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

mccp（ tco-tci） ?==kpfp tco-tciln tco-ti tci-ti ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中

ti ? ——室內(nèi)溫度，℃;

t0 ? ——室外溫度，℃;

kh ——房間的總傳熱系數(shù)，W/（ m2·k）;

fh——房間的總換熱面積，m2 ;

kp ——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總傳熱系數(shù)，W/（m2 ·k）;

fp——風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣的總換熱面積，m2 。

建立好各個(gè)子系統(tǒng)的仿真模型后，把各個(gè)子系統(tǒng)封裝起來(lái)。但實(shí)現(xiàn)仿真還需要有輸入信號(hào)。本文用室外溫度來(lái)作為仿真的輸入信號(hào)，因?yàn)槭彝鉁囟仁窃诓煌５淖兓杂米冋也ㄐ盘?hào)來(lái)模擬它的變化。則地源熱泵系統(tǒng)仿真可以實(shí)現(xiàn)，其主程序如圖2。

2.3.2在進(jìn)行地源熱泵的仿真時(shí)，其系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程如下：

（1）對(duì)房間進(jìn)行試算，在仿真程序內(nèi)設(shè)置房間初始參數(shù)（房間空調(diào)面積，傳熱系數(shù)等）。自熱泵機(jī)組開(kāi)啟時(shí)刻起，輸人室外溫度變化擾量，調(diào)用冷凝器子程序，計(jì)算得到室內(nèi)溫度和冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

圖5室內(nèi)溫度變化曲線

圖6蒸發(fā)溫度變化曲線

（2）對(duì)冷凝器進(jìn)行試算，設(shè)置冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)，冷凝器水側(cè)流量，調(diào)用房間和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，冷凝器進(jìn)口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到冷凝器的冷凝溫度，冷凝器出口循環(huán)水溫度。

（3）對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行試算，設(shè)置蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，蒸發(fā)器水側(cè)流量，調(diào)用地下和壓縮機(jī)子程序，獲得工質(zhì)流量，蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。計(jì)算得到蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度以及蒸發(fā)器進(jìn)口循環(huán)水溫度。

（4）對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行試算，設(shè)置壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用房間子程序，獲得工質(zhì)流量。

（5）對(duì)地下埋管換熱器進(jìn)行試算，設(shè)置埋管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用蒸發(fā)器子程序，獲得蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度。

（6）最后再調(diào)用冷凝器，蒸發(fā)器及壓縮機(jī)子程序，最終獲得冷凝溫度，蒸發(fā)溫度的變化情況以及工質(zhì)流量（見(jiàn)圖4～圖7）。

圖7冷凝溫度變化曲線

2.3.3從仿真結(jié)果來(lái)看，跟實(shí)際情況基本相符。當(dāng)室外溫度在一3℃至3℃波動(dòng)變化時(shí)，它的室內(nèi)溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化。

（1） 室內(nèi)溫度的初始值為9℃，在運(yùn)行過(guò)程中很快達(dá)到設(shè)定溫度20℃，并在其附近小幅度波動(dòng)，變化曲線如圖4。

（2） 蒸發(fā)溫度在5℃到15℃之間變化，它的曲線表明了隨著室外溫度的升高蒸發(fā)溫度也相應(yīng)的有所增加。它受室外溫度的影響比較大，所以上升曲線比較陡，比冷凝溫度上升得快，變化曲線如圖6。

（3） 冷凝溫度在40℃到55℃之間變化，它的曲線上升得相當(dāng)有規(guī)律，類似于一條直線，但上升的過(guò)程中又有不規(guī)則的波動(dòng)。曲線表明了室外溫度在小范圍內(nèi)波動(dòng)的時(shí)候冷凝溫度受它的影響比較緩慢，上升曲線比較平緩，變化曲線如圖7。

2.3.4仿真的結(jié)果驗(yàn)證了仿真能夠很好地調(diào)節(jié)室內(nèi)換熱量，從而保證了正常的室內(nèi)設(shè)定溫度。從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1） 地源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立理論充分，符合實(shí)際情況，具有一定的推廣作用。

（2） 地源熱泵的仿真模型采用智能控制，失真度較小。

（3） 由于數(shù)學(xué)模型的相對(duì)簡(jiǎn)化以及合理的一些假設(shè)，對(duì)仿真結(jié)果有影響。

（4）可以加入一些忽略的影響因素，使地源熱泵仿真模型更貼近實(shí)際情況。

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