地源热泵热水器的性能分析与经济性比较

式 中： 为第 ｉ 个钻孔 与计算钻 孔的距离 （ ； ｍ） Ｎ
为 钻孔 个数 。
１１２ 钻孔 内的传热模 型 ［ －－ 对 于 工 程 上 常 见 的 地 源 热 泵 垂 直 埋 管 换 热 器， 钻孔 内通 常有 两 根 管子 ， 热介 质 在 两 管 内 的 传 流 动方 向 相 反 ， 进 一 出 构 成 闭式 循 环 回路 。两 一
Ｌｉ ｉｇ ｉ Ｔａ ｉａ Ｃ ｅ ｕ ｎ ａ ｎ ｘａ Ｍ ｎ Ｌａｚ ｉ ｈ ｎ Ｃｈ ａ ｂ ｏ
（ ｎｉｇＷｕ ｈ ｕＲ ｆｉｅａｉｎＧｒ ｕ ｏ， ｔ． Ｎａ ｊ ｚ ｏ ｅｒ ｒｔ ｏ ｐＣ ． Ｌ ｄ） ｎ ｇ ｏ
ＡＢＳ ＲＡＣＴ Ｔ Ｅ ｔｂ ｉｈ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｏ ｅｓ ｏ ｒ ｕ ｄ ｓ ｕ ｃ ｅ ｔ ｐ ｍ ｐ ｗａｅ ｓ ａ ｌ ｅ ｈ ｔ ｅ ｔｃ ｌｍ ｄ ｌ ｆ ｇ ｏ ｎ ｏ ｒ ｅ ｈ ａ ｕ ｔ ｒ ｓ
能热泵 热水 器和 空气 源 热泵 热水 器 各 有 优 点但 也
存在着缺点， 对于全年平均气温在 １ ０℃左右而且 冬季气温一般为 一１ ０℃的长江 以北地 区， 两者很 难 达到 应有 的节 能效果 ［ 。因此 ， 对我 国北方 地 ４ ］ 针
区 的热 水 供应 需 求 ， 者 提 出地 源 热 泵 热 水 器 系 笔 统 。在 本文 中 ， 者 建 立 地 源 热 泵 热 水 器 系 统 的 笔 数学模 型 ， 以天 津 某 别 墅地 源 热 泵 热 水 系统 的 并 设计 和模 拟 为 例 ， 地 源 热 泵 热 水 器 ２种 传 统 方 对
＝Ｒ１ｑ ２ ｌ＋Ｒ２ｑ ２２
整个传热过程 中土壤的热物性不变 ； ④忽略土壤中
水分 迁移 的影 响 ； ⑤忽 略 Ｕ 形 管管 壁 与 回填 土 、 回 填土 与 土壤 之 间 的 接 触 热 阻 ； 忽 略 地 表 温 度 波 ⑥ 动对 土壤 温度 的影 响 ， 为 土 壤 温 度 均 匀 一 致 ； 认 ⑦
１１ １ 钻孔外传热模型 ．． １ 个 钻孔孔 外传 热模 型 ［ ）单 ５ ］
一
＝
＋
＝
＋
（） ８
，
Ｊ 詈
。
（ ）
Ｃ为流体 的容积 比热容（／ １ ・ ） ； Ｊ（１ Ｋ ） Ｔ ３ （ 式中： １ ） Ｕ形管 内流体的容积流率 （ ３ｓ。 ｍ ／）
ｍ） 为土 壤 导 热 系 数 （ （ ・ ）ｒ为 径 向坐 ； ｗ／ ｍ ℃） ； 标 （ ；（，） ｍ） ｒｒ为土壤 的温度 （ ； ℃） 为积分 变量 。
＝ｔ —ｔ ｂ ０
ｎ
Ｒ△： ２
（ １ １）
１２ 系统模 拟 算法 ．
（） ２
ＴＴ － －
收稿 日期 ：０ ０１ —４ ２ １—２１
案——容积式地源热泵热水器和直流式地源热泵 热水器进行性能分析 ， 并在运行特性 、 初投资和运 行费用方面进行对 比， 具体论证这 ２ 种热水器的利 弊， 以利 于地 源 热 泵 热 水 器 的选 择 、 计 、 化 与 设 优
作 者简介 ： 明霞 ， 李 硕士 ， 助理工程师 ， 主要从事制冷 、 空调及热泵技术研究。
向的传热， 土壤中的热量只在水平方向传播 ； ②埋管
管内流体 的稳态温度场方程分别为 ］ ：
￡ 一 ＝Ｒ １１ Ｒ１ ２ ｆ １ １ ＋ ２ ｑ ｇ
一
（） ５
（） ６
内循环流体只在径向方向上发生热量传递 ， 在轴向
（ 深度 ） 向上不发 生变化 ； 土壤是均 匀 的 ， 方 ③ 而且在
第１ 卷 １
第５ 期
剖
潦
室 调
２０１１ １ 年 ０月
ＲＥＦ ＧＥ ＲＩ ＲＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ Ｒ — ＡＩ ＣＯＮＤＩ ０ＮＩ Ｔ１ ＮＧ
地 源 热泵 热 水 器 的性 能 分 析 与 经 济性 比较
李 明霞 谭 来仔 陈传 宝
（ 京 五洲制 冷集 团有 限公 司 ） 南
随着人类 生产生活水平的提高 ， 来越多 的 越 地方需要 热水供应 ， 热水能耗 已是建筑 物 中排在
供 暖 、 调 和 照 明之 后 的 第 四大 能 耗 。在 能 源 紧 空 缺、 电价 和 天然气 价 格高 涨 、 境 污 染 日益 严 重 的 环 今 天 ， 强对 热水 器 的研 究 已迫在 眉 睫［ 。地 源热 加 １ ］ 泵 热水 器具 有 高效 节 能 、 全 环 保 、 天 候 运 行 、 安 全
管 内流 体在 向下 流 动 和 向上 流动 过 程 中的 能 量 平衡 方程 式分 别为 ［。］ １“ ： 。
一
管内同一截面 的流体 温度和速度相 同； ⑧不 考虑 Ｕ形管底部弯管 的影响 ， 为进水支 管与出水 支 认
管都 是有 限长 直管 ， 两支 管 底 部 的流 体 温 度相 同 ， 速度 方 向相反 。
摘 要 建立地源热泵热水器 系统 的数 学模 型 ， 以天津 市某 别墅 地源 热泵 热水 系统 的设计 与模 拟 为 并
例， 对地源热泵热水器 ２种方案——容积式地源热 泵热水 器 和直流式 地源 热泵热 水器进 行性 能分 析 ， 并
在运行特性 、 初投资 和运行费用方面进行对 比。结 果表 明， 相对 于传统 的热水器 ， 地源热泵 热水器具有 较 好的性能 ； 在相 同工况下 ， 直流式地源热泵热水器系统性能 系数 较高 、 电量较低 ， 耗 但其运行 费用和初投 资 较高 。研究结果 为地源热泵热水器系统的选择 、 设计 和优化提供参考 。
第 ５期
李 明霞 等 ： 源热泵热水器 立
２ 多个钻孑 孔外传热模型 ） Ｌ 由于常物 性假 定 下 的 导热 问题 符 合 迭加 原 理 的条件 ， 在计 算多孔换热器在 阶跃加热 下某一孔 壁的过余温度 响应 时， 可分别计算换热 器 中的每
ｌ１ 土壤 源热 泵 的地下 换热 器传 热模 型 － 假设 条件 ＿： ５ ①忽 略 Ｕ 形 管周 围土壤 沿 深度 方 ］
求和即可 。多孔系统在 阶跃加热下某一孔壁处的 过 余温 度 响应 为［ ］
０ （） （ ， ，ｂ ＋∑ ０ ｒ Ｈ ， ｍ ｒ ： ｒ Ｈ ｒ） （， ｒ ） （） ４
ｈ ａｅ ｙ ｔｍ （ Ｓ Ｗ ＨＳ ，ｎ ａ ｉｇｔｅＧＳ ＷＨＳｆｒｏ ｅｖｌ ａｊ ｓｅ ａ ｅ ｔｒｓ ｓｅ Ｇ ＨＰ ） ａ ｄｔｋｎ ｈ ＨＰ ｎ ｉａｉ Ｔｉ ａ ｘ ｍ— ｏ ｌ ｎ ｎｉ ｎ
ｐ ｅ ｃ ｒｉｓｏ ｔｔ ｅｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｌｓｓｏ ＷＯ ｓｈ ｍ ｅ ， ｔ ｒｇ －ｙ ｅａ ｄ ｄｒ ｃ－ｙ ｅｓ ｐ — ｉ ，ａ ｒｅ ｕ ｈ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅａ ａｙ ｉ ｆｔ ｃ ｅ ｓ ｓｏ ａ ｅｔ ｐ ｎ ｉｅ ｔｔ ｐ ｅ ａ ｒ ｔｌ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒｓ ｏ ｅ ａｉｎ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｔ ｅ ｉｉｉｌｉ ｖ ｓｍ ｅ ｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｅｙ， ｎ ｏ ａ ｅ ｐ ｒ ｔ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔ ， ｈ ｎｔａ ｎ ｅ ｔ ｎ ｎ ｈ ｏ ｅ ａ ｉ ｏ ｃ ｏ ｃ ｓ． ｅｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈ Ｈ Ｐ Ｈ Ｓ ｈ ｓｂ ｔｅ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｈ ｎ ｔａ ｉｉｎ １ｗａｅ ｏ ｔ Ｔｈ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅＧＳ Ｗ ａ ｅｔ ｒｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅｔ ａ ｒ ｄｔｏ ａ ｔｒ ｈ ａ ｅ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｒｃ—ｙ ｅ ＧＳ Ｐ ＨＳ ｈ ｓ ｌｒ ｅ ｏ ｆｉｉｎ ｆ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｌｓ ｅ ｔｒ 。 ｎ ｈ ｉｅ ｔｔ ｐ Ｈ Ｗ ａ ａ ｇ ｒ ｃ ｅ ｆ ｅ ｔ ｏ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｅ ｓ ｃ ｐ ｗｅ ｏ ｓ ｍｐ ｉｎ， ｕ ｏ ｅｏ ｅａ ｉｎｃ ｓｓａ ｄｍ ｏ ｅｉｉｉｌｎ ｅ ｔ ｎ ｈ ｎｔ ｅｓｏ ａ ｅ ｏ ｒｃ ｎ ｕ ｔ ｏ ｂ ｔ ｍ ｒ ｐ ｒ ｔｏ ｏ ｔ ｎ ｒ ｎｔａ ｖ ｓｍｅ ｔ ａ ｈ ｔ ｒ ｇ － ｉ ｔ ｔ ｐ ｎ ． ｏ ｉｅ ｈ ｅｅ ｅ ｃ ｏ ｈ ｅｅ ｔｏ ｄ ｓｇ ｎ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｆＧＳ Ｐ ＨＳ ｙ ｅ ｏ ｅ Ｐｒ ｖｄ ｓｔ ｅｒ ｆｒｎ ｅｆｒｔ ｅｓ ｌｃｉｎ， ｅ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｔ ｍｉａｉｎ ｏ Ｈ Ｗ ． ＫＥＹ ｏＲＤＳ ｇ ｏ ｎ ｏ ｒｅｈ ａ ｕ ｐ ｗａｅ ｅ ｔ ｒ ｔ ｒ ｇ ｙ ｅ ｉｅ ｔｔ ｐ ；ｏ ｅａ Ｗ ｒ ｕ ｄ ｓ ｕ ｃ ｅ ｔｐ ｍ ｔｒｈ ａ ｅ ；ｓｏ ａ ｅｔ ｐ ；ｄｒｃ ｙ ｅ ｐ ｒ — ｔ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ；ｅ ｏ ｏ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｃ ｎ ｍｙ ｏ
运行费用低廉及性能稳定等优点 ， 一项极具开 是 发和应 用 潜 力 的节 能 技 术 ， 成 为 我 国最 具 竞 争 将 力的新一代热水器产品［ 。目前 ， ２ ］ 国内学者对于热 泵热水器的理论研究主要集 中在太 阳能热泵热水
器 和空气 源热泵 热水 器方 面 ｌ， 于地 源热泵 热水 ３对 ］ 器尤 其是 其 选 择 、 计 方 面 的论 述 还 很 少 。太 阳 设
个 钻 孔 在 该 孔 壁 处 引 起 的过 余 温 度 响 应 ｅ， 后 然
整 个地 源热 泵热 水 器 系 统 的仿 真模 型是 以整
个系统的压 力平衡、 能量平衡 和质量平衡 为约束 条件 使各 部 件 仿 真 模 型 有 机 结 合 起 来 而 构 成 的 。 其中， 压缩机通过对输气 系数 和压缩机 总效 率 的 公式拟合建立 了稳态 数学模型 ； 发器和冷凝 器 蒸 都采用分 区稳态分布参 数模型来建模 ； 电子膨胀 阀则通过对流通截面积的公式拟合建立 了稳态数 学模型； 水箱 采用水箱 温度渗混模 型来 建模 。同 时， 由于篇 幅有 限且 重 点 在 于 对 系 统 性 能 模 拟 结 果 的分析 ， 现只对地下埋管模型作介绍 ， 其余部件 模 型 与传 统制冷 系统部件 模 型相 似 ， 不再 阐述 。
式 中 ： 和 Ｒ：分别 为两根 管子 与钻 孔壁之 间的热 Ｒ ： 阻 （ ・ ｗ ）计 算 公式 见文 献 Ｅ］Ｒ 为两 根 管 ℃ ｍ／ ， ｓ； ：
子之间的热阻 （ ・ ／ ， 。 ｍ ｗ） 计算公式 见文献 ［ ］ Ｃ ５； 为钻 孔 的壁温 （ ， ℃） 由式 （） （） 出 ； 和 ｑ ２及 ３求 ｑ ： 分别为两根管子单位长度的热流（ ｍ） ｗ／ 。并进一 步 假设 ：１ ２ｔ ＝／ ； １ Ｒ２。 ｑ ＝ｑ；１ ｆ Ｒ１＝ ２ ｆ ２
关键词 地源热泵 热水器 ； 容积式 ； 直流式 ； 运行特性 ； 经济性
Ｐｅ ｆ ｒ ａ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｎ ｃ ｎｏ ｉ ｏ ｐａ ｉｏ ｆｇ ｏ ｎ ｒ ｏ ｍ ｎｃ ｎ ｌ ｓ ｓ ａ ｄ ｅ ｏ ｍ ｃ ｃ ｍ ｒｓ ｎ ｏ ｒ ｕ ｄ
ｓ ｕ ｃ ｅ ｔ ｐ ｍ ｐ ｗａ ｅ ｅ ｔ ｒ ｏ ｒｅｈ ａ ｕ ｔｒ ｈ ａ ｅ
为
式 ： …，数 分Ｊ ） Ｉ 中） 积 （ ［ 指
；为 ａ 土
（） ９
壤热 扩散率 （ ／）ｔ ｍ２ｓ； ｏ为不 受干 扰 的土 壤初 始 温度 （ ； 为时 间（）ｑ ｒ时刻 内单位 埋 管 长度 的平 ℃）ｒ ｓ； 为
（０ １）
均的热流量（ 埋管放热为正值 ， 埋管吸热为负值 ， ｗ／