第29卷第3期2010年6月
文章编号：1003-0344（2010）03-08-6
建筑热能通风空调
BuildingEnergy&EnvironmentVol.29No.3Jun.2010.8~12
冷却塔复合式地源热泵空调系统动态模型模拟
陈胜朋唐瀚宁沈意成陈振乾张辉
东南大学能源与环境学院
摘要：冷却塔复合式地源热泵空调系统能有效调节地下土壤的热平衡，提高系统的运行效率，同时也可以减少
系统的初投资。复合式地源热泵空调系统额外增加了板式换热器、冷却塔、冷却塔循环水泵等，整个系统的运行特性也有了很大的改变。本文基于整个系统的动态运行特性，建立了各个部件的动态模型，并对整个系统的运行做了动态模拟。模拟结果表明，冷却塔及水泵功耗在复合式地源热泵系统具有较大比例。关键词：复合式地源热泵动态模型模拟
SimulationonHybridGround-sourceHeatPumpAirConditioningSystem
DynamicModel
CHENSheng-peng,TANGHan-ning,SHENYi-cheng,CHENZhen-qian,ZHANGHui
SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity
Abstract:Coolingtowerhybridground-sourceheatpumpairconditioningsystemcannotonlyadjustthethermalbalanceoftheundergroundtoimprovetheoperationalefficiencybutalsoreducethesystem'sinitialinvestment.Itaddsextraplateheatexchangers,coolingtowersandcoolingtowercirculatingwaterpump,andtheoperatingcharacteristicsofthesystemarechangedgreatly.Themodelsofthepartswereestablishedbaseonthedynamicoperatingcharacteristics.
Keywords:hybridground-sourceheatpump,dynamicmodel,simulation
0引言
地源热泵空调系统由于其高效、节能、环保的特
冷却塔、冷却塔水泵空调系统额外增加了板式换热器、
泵等，整个系统的运行特性也有很大的改变。系统能耗的成分也发生了变化，不同冷却塔的起停控制方式也影响系统的总能耗。因此，建立复合式地源热泵空调系统的动态模型，分析系统的运行特性及能耗情况具有重要的意义。
性，近年来日益受到人们的重视和推广。在地源热泵的研究和应用过程中，不同的地理环境和气候条件，若运用不当，地源热泵的优势就未必能得到很好的发挥。以我国为例，在南方地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，地下埋管年排热量大于其吸热量。随着时间的累积，势必降低热泵机组性能。
将地源热泵与其他形式的散热（吸热）设备相结合，弥补了单独采用地源热泵在这些地区应用上的缺陷，同时可以降低系统初投资。冷却塔复合式地源热
1冷却塔复合式地源热泵空调系统模型
冷却塔复合式地源热泵系统与常规地源热泵系
统相比，增加了冷却塔、板式换热器、冷却塔循环水泵等。为了使冷却塔复合式地源热泵系统中的循环水不
收稿日期：2009-8-10作者简介：陈胜朋（1984~），男，硕士研究生；东南大学能源与环境学院（210096）；E-mail:feiniao602@163.com
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（
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COP
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计算流程如图3。
式中：ω=（mcp）（/mcp）热容最小值与最大值之比。minmax，
则板换的传热量可计算如下：
式中：T1为热流体进口温度，℃；t1为冷流体进口温度，℃。
板式换热器的阻力特性可由以下准则关联式求得[6]：
式中：ΔP为流体进出口压差，kPa；v为流体流速，m/s;ρ为流体密度，kg/m3；C、n可由阻力特性测试求得。2.6水泵模型
传热介质（通常为水）依靠水泵的驱动在地埋管换
2.5板式换热器模型
板式换热器的计算模型包括热工特性计算模型和阻力特性计算模型。采用准则关联式的计算方法，结合具体板式换热器的结构参数及运行参数，就可求取其运行过程中的传热量和阻力特性。板式换热器热工计算的准则关系式为[5]：
热器里循环流动，把热量由地下土壤换热器传给热泵机组换热器。水泵的能耗分两部分，一部分克服沿管壁及通过换热器的阻力，这部分能量称之为有效功率；同时，水泵克服自身的摩擦等机械损失也需要消耗一部分能量。有效功率与水泵消耗的总功率称之为水泵的效率。在此模型中，不考虑水泵的具体选型，水泵的效率取平均值，总消耗功率用有效功率与效率的比值来表示。水泵有效功率计算如下：
Re=Vde/v，雷诺数（Reynolds）准则数；Nu=αde/λ，式中：
努谢尔特（Nusselt）准则；Pr=v/λ，普朗特（Prandtl）准μ、μw分别为对应流体定性温度和板片壁温下流体则；
动力粘度，流体粘度变化不大的场合，可认为μ=μw；n为普朗特指数，当流体被加热时取0.4，当流体被冷却时取0.3；C和m值随板片、流体和流动的类型不同而不同，可通过板式换热器热工性能测试测出。
则可计算传热系数α为：
α=Nuλ/de
式中：λ为导热系数；de为水力半径。
综合传热系数为：
建立冷却塔复合式地源热泵空调系统模型的主要目的是对其动态特性进行模拟分析，其运行模式主要有两种，一种是地埋管换热器单独运行承担建筑负荷；另一种是地埋管换热器和冷却塔联合运行承担建筑负荷需求。
利用ε-NUT法计算板式换热器的传热量。
当地埋管换热器和冷却塔联合运行时，可首先假设热泵机组进口温度，可推得机组的性能参数，结合建筑负荷即可得到冷凝器负荷。冷凝器负荷由板式换热器和地埋管共同承担，系统模拟流程如图4。
式中：NUT为传热单元数；K为板换综合传热系数；A为板换的传热面积；（mcp）min为板换侧较小热容流量。
8]
国内外关于冷却塔控制方式的研究比较多[7、，普
N=Qp
式中：Q为循环水流量，m3/s；p为系统阻力损失，Pa。
则水泵消耗功率为：
Ne=N/η
式中：N为水泵的有效功率，W；η为水泵的效率。
3系统模拟方法及实例分析
遍的结论是根据室外湿球温度控制冷却塔比较节能。为了保证热泵机组的性能，必须控制冷却水进口温度在一定范围内。通常根据地埋管换热器的出口温度和
·12·建筑热能通风空调2010年
室外湿球温度来控制冷却塔：首先分析地埋管换热器的进口温度，若大于设定值，则启动冷却塔；然后比较室外湿球温度，当室外湿球温度小于设定值时，亦启用冷却塔。
了板换的阻力损失，综合传热系数与板换两侧的传热系数都密切相关。板换传热面积的选择根据板换传热效率来确定。综合各种因素，板换流速取0.6m/s，传热效率取0.8，则可选择板换BR24-800（传热面积为30m2），水泵功耗可由流量与压力损失的积再除以效率得到。模拟结果如图8~9及表1。
Tout
Tin_co
`
Tout=（Tout-Tout）/2
`
Tin_co=（Tin_co-Tin_co）/2
Tout_co
Tin_co`
Tin_co-Tin_co`<10-3
Tout`
Tout-Tout`<10-3
图6建筑动态负荷变化图
图4冷却塔和地埋管联合运行模拟流程图
Tout
`Tout=（Tout-Tout）/2
Tout`
Tout-Tout`<10-3
Tout图7地下土壤动态负荷变化图Twb>Tset`
图5复合式地源热泵模拟流程图
以上海某软件大厦为例模拟复合式地源热泵空调系统的动态特性，分析系统地下土壤散热负荷、冷却塔负荷、热泵机组及水泵动态功耗等。
DeST模拟动态负荷如图6，夏季极值负荷为660.45kW，冬季极值负荷461.70kW。
设计垂直埋管个数为120个，埋管深度为85m。地下土壤动态负荷模拟结果（图7）表明，在无冷却塔模式下，地下土壤累积散热负荷675340kWh，取热累积负荷307805kWh，全年负荷不平衡率2.19:1。
冷却塔选择MS_50（240kW），对板式换热器选择时采取流量匹配效率优先的原则。地埋管侧板换流量的增大有利于热流体侧传热系数的提高，同时也增大
图9冷却塔联合运行埋管出口流体温度变化图
）（下转39页
图8无冷却塔时埋管出口流体温度变化图
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4结论
模拟结果显示，上海某软件大厦复合式地源热泵
空调系统中，不计负荷侧水泵功耗，埋管侧水泵和冷却塔的功耗占总比例的13.6%。通过对其系统动态特性的模拟研究，对于优化系统设计、运行控制策略都具有重要的意义。参考文献
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