一种地源热泵机组建模仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地源热泵，尤其涉及一种地源热泵机组建模仿真方法。
【背景技术】
[0002] TRNSYS 的全称为 Transient System Simulation Program，是由美国威斯康星大 学太阳能实验室开发的一款瞬时系统模拟程序，近年来，在暖通空调系统运行优化与节能 方面以得到了较为广泛的应用。在利用TRNSYS对地埋管地源热泵系统进行变流量仿真模 拟时，发现TRNSYS提供的地源热泵机组模块Type927存在一些缺陷，而这些缺陷将对仿真 结果的准确度造成影响。其缺陷主要有以下两点；
[0003] 1)机组负荷侧出口水温不能设置为定值，如制冷时设定为TC，制热时设定为 45°C。热泵机组在实际运行过程中，只要建筑冷热负荷在其制冷或制热能力范围内，热泵机 组负荷侧出口水温都能很好的保持在设定的温度。而Type927不但不能保持出口温度恒 定，而且当机组部分负荷率发生变化时，负荷侧出口水温的波动很大。在制冷模式下，当热 泵机组冷凝器侧回水水温不变、冷凝器侧流量不变、机组部分负荷率逐渐增大时，Type927 的模拟结果如图1所示。由图1可知，当机组部分负荷率为0.25时，蒸发器侧出口水温 为-391. 75°C，这是非常不合情理的。
[0004] 2)未考虑热泵机组在部分负荷下运行对其性能的影响。一般而言，机组COP随着 部分负荷率的增大呈现先增大后减小的趋势。由图1可知，随着部分负荷率的逐渐增大， Type927模拟结果显示：当负荷率小于0. 85时，机组COP几乎不随负荷率的变化而发生改 变，当负荷率大于〇. 85时，机组COP随负荷率的增大而急剧增加。因此，Type927在部分负 荷下运行的情况与实际运行情况不符。
[0005] 为了克服Type927在模拟地源热泵系统时出现的不足，增加仿真模拟的准确度， 有必要研究一种新的符合实际运行情况的地源热泵机组建模仿真方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了提供一种符合实际运行工况的、能被应用于地源热泵负荷 侧、地源侧变流量仿真研究的地源热泵机组建模仿真方法。
[0007] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种地源热泵机组建模仿真方法，具体步骤如下：
[0009] 步骤一：参数和变量的定义：统计整体模型中的变量和参数并分别命名和标识；
[0010] 步骤二：根据蒸发器侦彳水流量I、蒸发器侧出水水温Tra，蒸发器侧回水水温冷 凝器侧水流量M。、冷凝器侧回水水温T"，来建立适用于部分负荷下运行的地源热泵机组的 数学模型；从而计算得出热泵机组当前需要的制冷量Q、热泵机组满负荷下制冷量CAP_、 热泵机组所需的输入功率P、冷凝器侧出水水温I ra和热泵机组COP值；
[0011] 步骤三：根据步骤二的数学模型在仿真平台上开发地源热泵机组仿真模块；
[0012] 步骤四：在仿真平台上利用步骤三开发的热泵机组仿真模块，进行仿真模拟。
[0013] 其中部分负荷是空调的负荷在10%到100%区间内。
[0014] 进一步地，所述步骤二中热泵机组所需的输入功率P的计算步骤如下：
[0015] (2. 1)计算热泵机组最大制冷量0六?_与热泵机组当前需要的制冷量Q ;
[0016] (2. 2)比较最大制冷量CAPniax和当前需要的制冷量Q，若最大制冷量CAP _大于等 于当前需要的制冷量Q时，保持蒸发器出水水温为设定值，若最大制冷量CAPniax小于当前需 要的制冷量Q时，则在提高蒸发器侧出口水温后返回步骤2. 1 ;
[0017] (2. 3)通过热泵机组在额定工况下所需输入功率P。、输入功率修正系数Ph和部分 负荷下热泵机组输入功率修正系数Prt来计算热泵机组所需的输入功率P。
[0018] 进一步地，所述步骤（2. 1)中根据式（1)计算热泵机组最大制冷量CAP_:
[0019] CAPnax= f ^MejMc, Teo, Tcl) (1)
[0020] 所述公式⑴可改写为式（2):
[0021] CAPnax= CAP 〇 · CAPr (2)
[0022] CAPr= f 2(rne, rnc, rTeo, rTcl) (3)
[0023] 其中，CAP。为机组在额定工况下满负荷运行时的制冷量，CAP1^为机组在实际工况 下制冷量的修正系数，^为蒸发器侧实际水流量与额定水流量的比值；r "。为冷凝器侧实际 水流量与额定水流量的比值；为蒸发器侧实际出口水温与额定出口水温的比值；r ^为 冷凝器侧实际回水水温与额定回水水温的比值。
[0024] 进一步地，所述步骤（2. 1)中根据式（4)计算当前热泵机组当前需要的制冷量Q :
[0025] Q = CMe Δ t (4)
[0026] 其中，At为蒸发器侧供回水温差，°C，Q为热泵机组当前需要的制冷量，kj/h。
[0027] 进一步地，所述热泵机组所需的输入功率P通过式（5)进行计算：
[0028] P = P0PrlPr2= P 〇f6 (rne, rnc, rTeo, rTcl) f5 (PLR) (5)
[0029] 其中，PLR为热泵机组部分负荷率。
[0030] 进一步地，所述步骤二中根据式（6)计算冷凝器侧出水水温Tra:
[0032] 其中，1^为冷凝器侧回水水温，M。为冷凝器侧水流量。
[0033] 进一步地，所述步骤二中根据公式（4)、（5)计算机组COP值：
[0037] 进一步地，所述机组在实际工况下制冷量的修正系数通过式（8)计算：
[0038] CAPr= a ^b1Tm+b^J+c^,+c2r J+d^+dz^eo'+eiT^+e^jJ+f,TleoTlcl (8)。
[0039] 进一步地，所述输入功率修正系数P1^1用公式（9)计算：
[0040] Prl = a 2+b3rnie+b4rne 2+c3rnic+c4rnic 2+d3rTeo+d4rTeo 2+e3rTcl+e4rTcl 2+f2rTeorTcl (9)；
[0041] 所述部分负荷下热泵机组输入功率修正系数Prt用公式（10)计算：
[0042] Pr2 = a 3+a4PLR+a5PLR2 (10)。
[0043] 本发明的工作原理是：实际情况中，当热泵机组从满负荷运行逐渐变为部分负荷 运行时，由于总的换热量减小，热泵机组换热器的相对换热面积增大，换热效率提高，所以 机组的效率也相应的有所提高。同时由于冷凝温度的降低，蒸发温度的升高，制冷剂流量的 减小，这使得热泵机组的COP在部分负荷下进一步提高。当热泵机组的部分负荷率进一步 减小时，制冷剂流量继续减小，由于吸气量过低而导致电机散热不足等原因，导致压缩机效 率大幅度降低，从而导致机组COP大幅度下降。在考虑热泵机组部分负荷后计算得出的机 组COP符合实际情况，对实际应用有更好的指导。
[0044] 本发明的有益效果是：
[0045] 1)本发明中的建模仿真方法，充分考虑了热泵机组在部分负荷下运行对其能耗的 影响，通过验证，得出热泵机组COP随部分负荷率的逐渐增大呈现先增大后减小的趋势，同 时蒸发器侧出口水温维持在设定值。证明了建模仿真方法符合实际情况。
[0046] 2)通过验证，当热泵机组的部分负荷率不变时，得出热泵机组COP随蒸发器侧流 量比、冷凝器侧流量比的变化模拟关系，机组COP受蒸发器侧流量及冷凝器侧流量变化的 影响，不论哪一侧流量增大，机组COP都将增大，不论哪一侧流量减小，机组COP都将减小， 证明了建模仿真方法符合实际情况。
[0047] 3)通过验证，当热泵机组的部分负荷率不变时，得出当蒸发器出水水温升高、冷凝 器侧回水水温降低时，机组COP增大。相反，机组COP则减小，证明了建模仿真方法符合实 际情况。
[0048] 4)利用本发明中的建模仿真方法，通过仿真分析后，得出地源侧变流量运行可以 节省整个空调系统的运行能耗。
【附图说明】
[0049] 图1是Type927模拟结果的示意图；
[0050] 图2是本发明中热泵机组模块的仿真结果。
[0051] 图3是本发明中地源热泵机组程序流程图；
[0052] 图4是本发明中热泵机组COP随蒸发器侧流量比及冷凝器侧流量比变化的模拟 图；
[0053] 图5是本发明中热泵机组COP随蒸发器侧出水水温及冷凝器侧回水水温变化的模 拟图；
[0054] 图6是本发明中热泵机组COP随部分负荷率、冷凝器侧回水水温变化的模拟图；
[0055] 图7是本发明中仿真后地源侧变流量与地源侧定流量地埋管出口水温比较图；
[0056] 图8是本发明中仿真后地源侧变流量与地源侧定流量冷凝器出口水温比较图；
[0057] 图9是本发明中仿真后热泵机组能耗、地源侧水泵能耗随变频泵最小运行频率变 化曲线图；
[0