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1、地源热泵模型在整个建筑物电脑模拟程序中的研究述评摘要越来越多的业主正在转向地源热泵（GSHP）系统，以提高能源利用效率。带有垂直封闭 的接地回路换热器的土壤耦合热泵（GCHP）系统是使用较为广泛的系统之一。在过去的 三十年里，已经开发了一些仿真模型来计算地埋管换热器（GHX）的性能。这几个计算机 程序可以评估GCHP系统，而这个是属于整个建筑能耗模拟的一部分。本文呈现了一个对地源热泵系统和GCHP系统的简要的大体的介绍，并展示目前已经开发的 GCHP模型，同时将可以进行GCHP系统设计的计算机程序进行比较。此外，对在GCHP性 能中扮演着重要的作用的GHX模型作一论述。最后，我们将对几个被广泛

2、认可的可以对建 筑耗能进行分析的计算机模拟程序加以比较，比较的根据主要是它们对GCHP系统的模拟能 力。介绍地源热泵（GSHP）系统是在近几十年中获得相当大的关注的系统。地源热泵系统利用 相对恒定的土壤温度，而不是环境温度为住宅和商业用房应用的热泵系统。运行中的地源热 泵系统的压缩机需要输入的电量减少，因为与环境温度相比土壤温度能为加热循环和冷却循 环提供更有效的热源/汇。地源热泵是地面耦合热泵（GCHP），地下水源热泵（GWHP）和地表水源热泵（SWHP） 的总称，虽然这些系统都是利用地表作为热源，但是他们通过不同的方式将土壤的温度输送 到热泵。该GCHP系统有闭环地埋管换热器GHXs，地埋

3、管换热器里面有循环的液体，这些循环 的液体通过管道与地表接触。地下水源热泵有开环的地埋管换热器GHXs，它的循环液被从 土壤中的井或者是湖中或者是其他水体中提取出来。SWHP既有闭环地埋管换热器GHXs 也有开环地埋管换热器GHXs。最好地源热泵的选择在很大程度上依赖于当地土壤的地质 结构和热特性。图1展示了不同的地源热泵系统的原理总的来说，过去的地面热交换系统使用开环，而现在越来越多的兴趣集中在使用闭环的 GCHP系统，向GCHPs转移的主要原因是这种技术可以应用在任何地方。另一方面，其他 的系统（i.e., GWHP and SWHP并不是在所有领域都是适用的。如果他们都能够适用，尤其 是

4、当某一地区土壤水源是非常充足的情况下，那么地下水源热泵系统GWHP）是最具有能 源效益和成本效益的系统，同样的，地表水源热泵系统（SWHP）能够用在附近有湖泊或 池塘的地方。Surface-Water Heat PumpSurface-gter Heat PunOround-Water Heat PumpsGround-Coupled Heat Pumpswith opend loopwith closed loopGWHPB(GCHP)(SWHP)(SWHP)Figure 1. Schematics of different ground source heat pumps 图1.不同的地源

5、热泵的原理图地源热泵系统有两种类型的闭环地埋管换热器，一种是垂直闭环，另一种是水平 闭环。在住宅使用方面，垂直闭环地埋管换热器比水平闭环地埋管换热器使用的 更广泛一些，因为垂直闭环地埋管换热器所需要的用地面积更少。尽管他们很受欢迎，但是由于在设计GCHP和安装设施方面的限制，以及缺乏提高GCHP 系统性能的新技术，GCHP有很高的初始成本。此外，由于缺乏可靠的，易于使用的用于 GCHP系统（刘&赫尔斯特伦，2006）的仿真工具。GCHP系统的设计已经慢于预期。为了 应对这个问题，橡树岭国家实验室（ORNL ） 一直合作开发了新的分析工具用来分析和评价 GCHP系统（休斯，2008年）。目前，有

6、一些已开发的仿真模型可以评价地埋管换热器（GHXs）的性能。几个计算机程 序曾经被开发来模拟地源热泵GCHP系统，本文综述了目前已经开发的地埋管换热器GHX 模型并且比较了用于GCHP设计/仿真的计算机程序，GCHP与GSHP的综述GSHP利用地面作为热源或汇为为空间加热，冷却，和提供生活热水（美国采暖、制冷与空 调工程师学会2003年）。地源热泵系统的效率通常比传统的空调系统更高，因为在全年 中地面的温度（约5至30 C ）比周围干或湿球温度通常更接近室温条件，因此，在过去的 十年中地源热泵在世界范围内的应用已经以每年10 %的年增长率增长（Rybach， 2005）。这其中大部分增长发生在

7、美国和欧洲。在美国，每年就有超过50,000地源热泵 销售，上述大部分应用于住宅。据估计，有50万套已经被安装，这其中的85%采用闭环接 地连接（46 %直井，38 %横向沟槽）另外的15 %采用开环的地埋管换热器（GHX）系 统（Lund 等人，2004）。Heal ExdliJhr(CondenserAlrlD5pic.e只做欧 m/W，m叶Huat Exchjru!k.T 盹心QiXBt(团DeviceHot Vapor Cold VnporHgf tiqyidCold Lcquadtnund LqdliquidFigure 2. Sketch of the GCHP in the he

8、ating cycle图2.正在加热循环的地源热泵GCHP的草图AlrlopaceRMr 岫 iiru/WwFigure 3. Sketch of the GCHP in the cooling cycle图3.正在冷却循环的地源热泵GCHP的草图GCHP系统，该系统通常被称为闭环或地面耦合地源热泵系统，它最初是在20世纪60年代 率先被瑞典工程师开发。随后，在上世纪70年代，GCHP技术的数学模型被吉姆百色博士 和哈里布劳德博士开发和测试（Wagers和Wagers，1985）。与GSHP类似，GCHP具有将 土壤作为热源和散热器的优点。此外，GCHP系统还具有的优点是它的整个系统能内置于

9、房子中，只要用两个额外的管道将热泵和地埋管换热器连接起来。由于减少磨损和撕裂，这 项特点使得GCHP有20年的预期寿命，这与通常安装于住宅房屋的空气源热泵（ASHP）相 比GCHP系统的寿命更长，这个空气源热泵系统具有的预期寿命一般只有10至20年 （Golish ， 1994）。GCHP按照GHX设计的两种类型来分类，可分为：垂直和水平。由于一年中垂直井中的地 表温度比水平井中的地表温度更平稳，因此垂直GHXs通常比水平GHXs更高效，同时垂直 GHXs需要更少的管路。然而，闭环的垂直井式的GHXs 一般比闭环的水平沟渠式的GHXs 更贵。垂直GHXs包括两个，小直径HDPE管被放置在一个垂

10、直钻孔，其随后填充有固体媒介。高 密度的聚乙烯管是热熔接在该插入孔的底部，这样底部至端部形成一U型弯曲。垂直管的 直径的范围从0.75英寸到1.5英寸。根据当地的土壤条件和提供的钻井设备，孔的深度从 50英尺到600英尺。当循环是发生在一个网格模式，为了减少孔与孔之间的热干扰，建议 的最小的钻孔间隔距离是20英尺（美国采暖、制冷与空调工程师学会，2007年）。在HDPE管被插入后，孔灌浆和回填连接沟。水泥浆能够防止地表水从排水管道进入钻孔同 时也防止污染地下水，并还可以防止一个钻孔泄漏到一个邻近钻孔。在灌浆和回填之后，垂 直管道被连接到水平的用于地下供给和返回的集管。连接到并且从热泵集管用于从

11、垂直导热 管的GHX传热流体携带到热泵（CANMET，2005）。一旦所有的钻孔被连接到集管中，然 后填充沟槽。Figure 4. Sketch of the vertical GHX图4.垂直地埋管换热器GHX的草图水平GHXs通常适用于较小体积的建筑物，如住宅和轻型商业建筑，因为水平GHXs安装布 置相比垂直GHXs安装布置需要一个更大的土地面积。水平GHX管道可以是埋藏相对接近 地表，仍然从地球所提供的温度调节中受益。地面温度可能会有高达土 10 F的波动。在6 英尺的深度，它可以下降冰点以下的温度，因此，大多数热主导的区域必须使用防冻溶液（美国采暖、制冷与空调工程师学会，2007）Fi

12、gure 5. Sketch of the horizontal GHX图5.水平地埋管换热器GHX的草图垂直地埋管换热器GHX模式的审查要设计一个地面耦合热泵系统GCHP或地源热泵系统GSHP，地热交换器模型被用来计算从 GHX于热泵的回水的温度。回水温度取决于水的属性，埋管的深度和接地回路的长度，一 年中所处的时令，运行时间，与土壤的热性能。地埋管换热器GHX影响回水温度的大小很 大程度上影响热泵性能的好坏。因此，GHX仿真模型的主要目标是给出了一个已知的建筑 物负荷和周围的地面温度的情况下由GHX属性来确定回水温度。该GHX仿真模型通常对传热分析有两个独立的部分。一个是在井眼外，另一种是

13、在井眼内。 井孔外的分析必须通过周围介质（例如，土壤，岩石，沙）的热传递来考虑。通过井眼外的 分析来决定壁井眼内的壁温。井眼内的分析必须考虑热量通过灌浆和HDPE管传递到到流体 中。这种分析通常要考虑材料的热性能和热阻，如泥浆，U型管管道，和流体。很多仿真模型已经被开发井外的热量转移的这中情况，这些模型中的大多数都是基于某一个 分析或数值方法，有二种分析模型通常用于地埋管换热器GHX的设计，一种是开尔文的线 源模型和另一种是一个圆筒源模型。在大部分的模拟程序中使用的GHX模型是基于这两种 分析方法之一。不同的仿真模型已经被开发出来，他们用解析或数值解来模拟该GHX的热行为，表1为不同的方法来模

14、拟GHX。Table 1. Analytical and numerical solution for GHX models表1中.为GHX模型分析和数值解SolutionApproachGHX SimulationModelsReferencesAnalytical SolutionKelvins Line Source TheoiyKelvin (1882), Ingersoll et al.(1948)Cylinder Source SolutionCarslaw andJaeger(947)Numerical SolutionEskilsons ModelEskilson (1987)

15、HellstromsModelHellstwjn (1989)Mei andEmersons ModelMei & Emerson (1985)Murayas ModelMuiaya et al. (1996)Rottmayer, Beckman, and Mitchells ModelRottjnayer et al.(1997)Shonder and Becks ModelShonder & Beck (1999)相比分析模型，数值模型提供了具有可接受的精度和高度的灵活性。然而，大多数的数字模 型使用极性或圆筒形网格，由于在真实的系统中大量使用的复杂的网格，使他们在计算上效 率不高。此外，

16、数值模式不方便直接纳入一个整体建筑能量分析程序中（Yang等，2010）。分析模型通常是基于若干假设，是为了解决复杂的数学算法而简化的。例如，一个线源在井 孔的中心的假设忽略了 U形管在钻孔中的物理尺寸。因此，分析结果的精度略微比数值模 型的降低。然而，分析模型所需要的计算时间通常比数值模型需要的的时间要少得多。此外， 在分析模型中使用的简单的，简化的算法可以很容易地集成到整个建筑节能设计仿真程序中（Yang 等，2010）解析解线源模型是一个典型的解决方案，用于计算围绕在假想线周围的温度分布。该模型假定在井 眼是线光源。这种方法的最早的应用是由开尔文勋爵计算地埋管换热器管道的保热性能而开 发

17、的。因此，这种模式也被称为开尔文的线源理论。在这个模型中，土壤或地面被假定 为无限介质，该介质具有均匀和恒定的初始温度。Ingersoll和普拉斯（1948）在地埋管 换热器的回路中应用。该方法忽略了在井眼轴线的方向上的热传递。此外，这种方法假定热 量不会流向地面表面也不会流到钻孔的底部。因此，在地面上的热传导过程被简化为一维。 这种方法已被广泛地用于分析的设计方法。对这种方法的一系列改进已经被提出来从而去解 释一些复杂因素，并提高对地埋管换热器GHX （ Yang等，2010）估计的准确性。例如， 对该方法一个主要的改进被哈特和Couvillion （1986）使用在了线源模型上，用来估算线

18、 源和地表之间的连续依赖时间的热传递。他们介绍了远场半径（），这个远场半径被认为是 从线源到地表所传递的热量值。表2展示了发展线源的方法的历史。Table 2. Brief development history for the line source approach表2.线源方法的简要发展史YearLine Source Approach1882Lord KelvinKelvinrs line source model1948Ingersoll and PlassModified line source model1986Hart and CouvillionEnhanced line s

19、ource model另一方面，Carslaw和积家（1947）开发的圆柱源模型，把两条腿的U型管作为与所钻的 孔同轴的单管。Ingersoll等（1954年）修改这个模型尺寸，使得在该尺寸下能够埋入换热 器。然后，卡瓦纳夫（1985）细化模型来确定周围的埋入管的温度分布或传热速率。（美国采暖、 制冷与空调工程师学会2007）过程使用由卡瓦纳夫开发的圆柱体源模型。表3展示了圆柱 形源的方法的历史发展。Table 3. Brief development history for the cylindrical source approach表3.圆柱源的方法的简要发展历史YearCylinder

20、 Source Approach1947Carslaw and JaegerCylinder source model1954Ingersoll et al.Modified cylinder source model1985KavanaughModified cylinder souj ce model不幸的是，无论是开尔文所使用的一维模型的理论还是通过卡瓦纳夫所开发的圆柱源模型都 忽略了沿钻孔深度流动的轴向热流，因此他们都不足够用来分析地源热泵（GCHP）系统（Yang等，2010年）的长期运行。数值解一些数值模式已经发展到计算U型管钻孔周围的温度分布。这些数值模型已经被开发到为 了研究的

21、目的去检查周围埋管换热器的热传递的性质。此外，该模型已被用于在系统模拟以 评估场数据。但是不论是线源模型还是圆柱源模型都采用了分析解而忽略了在钻孔轴向方向 上的热传递，数值解可以通过考虑有限长度的钻孔来说明轴向热传递。在许多已开发的数值 GHX模型，两种数值的方法是最常见的：由Eskilson（ Eskilson开发的g函数模型，:L987）， 另一种是将导管存储（DST）的模型由赫尔斯特伦（赫尔斯特伦，1989开发的）。Table 4. Brief development history for the numerical solutions表4.数值解的简要发展史YearNumerical

22、 Approach1985Mei and Emerson1987Eskilson1989Hellstrom1996Bregei1 et al.Mmaya et al.1997Rottmayer et al.Thornton et al.1999Shonder and BeckYavuzturk and Spitler2003Zeng et al.在Eskilson模型，二维数值计算被用于均匀地面中的单一钻孔，该均匀地面具有恒定初始条 件和边界温度。钻孔元件的热容，诸如管壁和水泥浆，可以忽略。在G-函数的概念被Eskilson 引入去解释管壁量纲温度响应因子。Eskilson的G -函数计算井壁

23、上的温度变化来响应于 一个单位时间的阶梯状热输入。但是，这种方法的缺点是它是耗时的，并且它也很难被直接 并入一个小时，整个建筑设计和用于实际应用的能量分析程序。这是因为具有不同配置的 GHXs的g函数必须被预先计算并作为一个庞大的数据库（Yang等，2011）被存储。此外， 通过Eskilson开发的g函数模型不能解释钻孔要素的热电阻的影响，诸如管壁，水泥浆， 和流体流动。Yavuzturk &斯皮特勒（1999）改良Eskilson的G函数算法从而去说明灌浆 材料的热性能和上GHX传热性能的防冻液的热性能对热电阻的影响。由Yavuzturk &斯皮 特勒改良的&函数模型被称为短时间的模型。赫

24、尔斯特伦（1989）开发了一个对于垂直式地热储存的仿真模型，它采用密密麻麻的闭合 的地埋管换热器用于季节性热能的储存（Yang等，2010）。在赫尔斯特伦的模型中， 一个导管式的地热储存系统（DST ）被定义为将热量直接存储在地面系统。的管道或槽道 系统是用来交换是通过管道循环的载热流体和存储区之间的热量。在存储区中的热过程涉及 三个不同的问题：全球热流问题，当地的热问题，稳定通量的问题。全球热流问题描述了存 储量和被称为远场的周围地面之间的相互作用。当地的热问题呈现为一个单独管道周围的热 过程。稳定通量问题解释围绕管道的热脉冲常数注射或提取率。在TRNSYS实施了 DST模 型依赖于一个对于

25、稳定通量过程的解析解和对去模拟换热器的全局和局部过程的一种数值 方法。对整个建筑能量分析的计算机模拟程序在建筑节能的研究中，每小时整体建筑的计算机模拟程序的应用是广泛的，它广泛用于分析 和评估复杂的建筑性能，以提高能源利用效率。美国能源署（DOE）目前提供了关于389 个建造软件工具的信息，这个建筑软件工具用于评估能源效率，可再生能源，以及建筑物的 耐久性。在389个工具中，五个模拟程序是对整体建筑能耗模拟方面最广泛认可的工具： DOE- 2.1E 程序，EQUEST，EnergyPlus 的，TRNSYS 和 EnergyGauge 美国。三个计算机模拟程序（美国能源部-2.1E程序，EQU

26、EST，EnergyPlus的）已经被许多 个人和组织使用了，因为这些程序可以模拟大部分在建筑能耗分析方面的建筑物的性能。在 五大工具中除了 DOE- 2.1E这个程序，其他四个仿真工具都有模拟GCHP系统的能力。美 国能源部-2.1E程序，EnergyPlus的，和TRNSYS对于用户支持完整的文档，包括系统功 能的描述。该TRNSYS是一个采用模块化结构的瞬态仿真程序，它通过将大问题分解为一 系列更小的问题的方式来解决复杂的能源系统的问题。该程序一一EnergyGauge美国被分 成两个独立的仿真工具：住宅用途和商业用途。这个工具也可以对整个建筑能耗模拟进行简 单和快速的评估，但不可用于多

27、空调区域和房间的空气调节系统HVAC大小（房间空调上 浆），表5展示了对于这5个最广泛使用的模拟工具的总结。Table 5. Summary for features of five representative simulation tools表5.对五个有代表性的模拟工具的特点的总结Coinpuier Simula doh PrograinsGCHPModelCompleleDucumerttDOE-2, leKoeQLESTClXErtergj-PlusCloTRNSYS0oUSA(Reside rttia only)XWhDle-Buikiirie Energy SiiHuhlkn)A

28、vailabiliiy to Recompile Source CodeAccejicabfe RunTimeoDDDX.DObXXbDoX.Do : Yes s : Na对于GCHP模型的计算机仿真程序 当前DOE- 2.1E程序（136版本）没有模拟GCHP系统的能力。然而，先前的DOE- 2.1E 程序（版本110 ）具有模拟GCHP的能力。刘和赫尔斯特伦（2006）提到的DOE- 2.1E 是将GCHP模拟集成到整体建筑能耗模拟程序中的第一个计算机程序。目前，四个广泛使用的模拟程序具有对GCHP仿真模拟的能力：EQUEST，EnergyPlus，TRNSYS和EnergyGauge美国

29、。然而，并非所有这些程序都发表了关于详细算法的文档。此外，这四个工具中只有两个工具允许用户自定义源代码。该EnergyGauge美国模拟程序 仅用于对住宅用途的GCHP系统的性能的进行评估。该eQUEST/DOE-2.2程序模拟采用了改良水源热泵系统仿真模块的GCHP系统在特定时间 的表现。美国能源部-2.2是EQUEST的模拟引擎。该eQUEST/DOE-2.2程序使用改良后的 G-函数算法，eQUEST/DOE-2.2程序是Eskilson （ 1987）为了快速计算井壁温度在瑞典的 隆德大学提出的。改良的&函数模型使用由Yavuzturk &斯皮特勒（1999）开发的程序。 刘和赫尔斯特

30、伦（2006）提出改良后的GHX模型落实到eQUEST/DOE-2.2的验证和验证 结果，并集成了一个专用接口到EQUEST图形用户Interfacd （ GUI）,用于GCHP模拟。该EnergyPlus的程序使用的模型对带有接地回路换热器的水源热泵在整个建筑物GCHP中 的全年能耗进行模拟。水-水热泵模型是由金与斯皮特勒（2002）开发的。该方案还采 用了由Yavuzturk &斯皮特勒（1999）开发的短时间G-函数模型作为地埋管换热器模型。 这种模型的运作在通过比较结果和分析值（费舍尔和里斯，2005）后得到证实。TRNSYS为地源热泵GCHP系统计算它的带有地埋管换热器的水源热泵的性

31、能。此仿真程序 （赫尔斯特伦，1989）采用DST模型作为接地回路换热器。Thornton等人（1997）使 用赫尔斯特伦的做法为基于TRNSYS实施了详细的组件的仿真模型的一部分（Klein等人， 1996）。该模型是通过监测来自以家庭为单位的数据从而调整输入参数来校准的，如远场 温度与地面形成的热性能（Yavuzturk，1988）壳体单元。表6展示了计算机的仿真工具与GCHP仿真模块的概要。大多数方案使用的是带有一个GHX 单元的水源热泵。主要用G-函数法去计算GHX性能，唯一的例外是TRNSYS程序，它使用 了 DST模型。Table 6. Summary of the compute

32、r simulation programs with the GCHP function表6.带有GCHP模拟功能的计算机模拟程序的概要Simulation ProgramsGCHP FunctionHPModelGHXMode IDOE-2No (Vfers ion 136)Yes (Vfers ion 110)Water source HPg-functioneQUESTYesWater source HPg-functionEnergy PlusYesW atcr source HPg-functionTRNSYSYesW atcr source HPDSTEnergy GaugeUSA

33、Yes (Residential use only)Geothermal HP对于GCHP设计/模拟其他程序那些只专注于GCHP系统的设计的程序已经被开发出来。Yang等人（2010年）推出了基 于线源模型和圆柱源模型几个GCHP设计工具。这些工具使用分析方法来计算GCHP系统的 性能。使用线源模型的计算机程序是隆德程序，EED程序，GLHEPRO和GeoStar程序。 采用圆柱源模型的计算机程序是GchpCalc 0隆德程序（Claesson & Eskilson , 1988, Claesson 等人，1990 年，1991 Claesson , 并赫尔斯特伦，1991）对于垂直GHXs上

34、浆使用了基于Eskilson的方法（Eskilson，1987） 的算法。地球能源设计器（EED ）隆德程序是开发的（塞纳&赫尔斯特伦，1996）更贴 近用户的程序版本。该GLHEPRO程序（斯皮特勒，2000）主要用于在商业或机构建筑物 中垂直GHXs的设计，GLHEPRO程序使用的是Eskilson的方法。这个GeoStar方案是由一 个在中国的研究小组（崔等人，2007 ）开发的。在软件中GHX传热模型由两部分组成： 一个用于井眼外面通过坚实的土壤/岩石和另一个用于井眼内部。最后，利用圆柱源模型的GchpCalc程序在设计垂直GCHP系统方面帮助了工程师。这个程 序的详细概念可以在卡瓦纳

35、夫和拉弗蒂（1997）的研究中找到，该方法是基于圆柱源模型 的解决方案。这种方法已经广泛使用于美国的GCHP系统（卡瓦纳夫&拉弗蒂，1997）的 设计中。结论高性能的建筑中使用地源热泵已经很受建筑系统设计人员欢迎。应用于建筑物的地源热泵系 统的模型已经得到了发展。在已经开发的模型中，闭环GCHP模型是使用最广泛的。该GCHP 模型专注于用GHX模型来评估它的性能。该GHX模型使用分析，数值，或两者相结合的办 法去解决了井眼和周围地表之间的热传递的问题。本文对五个整体建筑模拟程序（即DOE- 2.1E程序，EQUEST， EnergyPlus， TRNSYS 和EnergyGauge美国）都进行

36、了综述。除了 DOE- 2.1E程序之外另外四个程序有模拟GCHP 系统的能力。然而，它们中没有一个有很好的记录模拟，如果有记录模拟那么在可接受的运 行时间里可以很容易地模拟复杂的建筑形状。因此，有必要开发这样的一个模型。文献参考ASHRAE 2007 ASHRAE手册-暖通空调应用：地热能源。美国采暖，制冷和空调工程师协 会（第 32.1 - 32.29 ）。亚特兰大：ASHRAE。Breger，D.，哈贝尔，J.，Hasnaoui， H.， &桑德兰，1996 J.。热能储存在地下： 采用U型管和钻孔的传热模型对比分析。太阳能56 （ 6 ），（页493-503 ）。CANMET 2005

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