地源热泵地埋管换热器设计和模拟软件“地热之星V3.0”
山东建筑大学 于玮 牛小飞 徐俊丽 方肇洪
Geostar V3.0—The Design and Simulation Software For Ground-Coupled Heat Exchanger of Ground Source Heat Pumps
Shandong Jianzhu University
Yu Wei, Niu Xiaofei, Xu Junli, Fang Zhaohong
摘要：本文介绍山东建筑大学地源热泵研究所自主开发研究的地源热泵系统竖直埋管换热器的设计和模拟软件——“地热之星”，并着重介绍了该软件最新升级版本“地热之星V3.0”的新添加功能。
Abstract: The design and simulation software for vertical ground-coupled heat exchanger of ground source heat pumps-Geostar, which is developed and studied independently by Ground-Source Heat Pump Research Institute of Shandong Jianzhu University, is presented in this paper, with the emphasis on new functions of the latest updated version- Geostar V3.0.
关键词：地源热泵 地埋管换热器 设计 软件
Key words: ground source heat pump, ground-coupled heat exchanger, design, software
0 引言
随着节约能源与环境保护成为当今科学技术发展的重要方向，建筑领域里的对降低空调采暖系统能耗的研究也越来越受重视。在这种背景下，地源热泵技术由于利用大地中的低品位热能来实现对建筑物的供热制冷以及其高效环保的特点得到了越来越多的应用。地源热泵系统与传统空调最大的区别就在于它有地埋管换热器，合理设计地埋管换热器可以节省初投资、合理利用土地、使运行安全可靠并降低运行成本。地埋管换热器中的热量传递是三维非稳态的过程，涉及的空间范围可达数百万立方米，时间跨度数十年，是非常复杂的传热问题。即使是采用规范推荐的半经验公式的计算方法来进行设计计算，也很难靠手工的方法完成。因此，要在我国规范地、大规模地推广应用地埋管地源热泵技术，必需要有可靠和易操作的设计计算软件，使工程技术人员从繁琐的计算中解脱出来。本文将介绍我国自主开发的具有国际先进水平的地源热泵模拟设计软件——全面升级的新版本“地热之星V3.0”。 希望这一有自主知识产权的软件能推动地源热泵技术在我国的应用和普及，并借此增进与国际同行的交流。
1 地热之星软件理论介绍
在上世纪八、九十年代瑞典的两位研究者Eskilson和Hellstrom提出了一种基于叠加原理的新思路，也称g-函数方法[1, 2]。他们利用解析法和数值法混合求解的手段较精确地描述单个钻孔在恒定热流加热条件下的温度响应，再利用叠加原理得到多个钻孔组成的地埋管换热器在变化负荷作用下的实际温度响应。这种方法中采用的简化假定最少，可以考虑地埋管换热器的复杂的几何配置和负荷随时间的变化，同时可以避免的冗长的数值计算，有可能直接应用于实际的工程设计计算和建筑能耗分析。山东建筑大学地源热泵研究所关于竖直和倾斜埋管地埋管换热器传热的研究主要是延续了这种方法的思路，并在消化吸收的基础上有所创新，在国际上首次求得了关于地埋管换热器的三个重要的传热问题的解析解[3-5]，进一步提高了模型的精度和计算速度。在此基础上，于2003年开发并注册了供工程技术人员设计和能耗分析用的专用软件“地热之星 V2.0”[6]。在地埋管换热器传热分析的算法方面，它秉承了瑞典隆德大学（Lund University）开发的EED程序和美国俄克拉荷马州立大学（Oklahoma State University）开发的GLHEPRO程序所采用的叠加原理方法的基本思路。但是，在计算钻孔外热阻时采用了我们导得的有限长线热源温度响应的解析解[7]，弥补了上述两个程序中采用数值解的不足，计算更快捷，适应性更强；在计算钻孔内热阻时采用了我们导得的准三维模型的解析解[8]，摈弃了一维模型的简化假定，可计算单U型管和双U型管的钻孔，模型更加精确，适用范围更广。通过为工程技术人员和研究人员提供这一实用的工具，使工程技术人员可以不必深入掌握复杂的理论推导并免除繁琐的计算，可以方便地进行各种不同设计方案的比较。用户只需输入必要的设计参数，包括钻孔参数、循环液参数、岩土参数、热泵参数、建筑负荷等，就可以对地埋管换热器进行设计计算。可以根据设定的设计参数以及循环液允许极值温度、运行时间等参数设计钻孔深度，也可根据设定的钻孔深度模拟得循环液和钻孔壁的温度的长期变化趋势。本软件允许模拟时间可长达40年。
2 “地热之星V3.0”新功能介绍
2 “地热之星V3.0”新功能介绍
“地热之星V3.0”是山东建筑大学自主开发了竖直地埋管换热器设计和模拟软件“地热之星V2.0”的最新升级版本。山东建筑大学地源热泵研究所在原“地热之星V2.0”软件的基础上，与清华大学DeST课题组合作，将DeSTII建筑模拟软件引入地热之星，对建筑负荷进行动态模拟；对于原有软件的设计模拟计算进行了优化；对软件界面和输出文件进行了改进和完善，更便于工程设计人员使用。
2.1 全面升级
“地热之星V3.0” 对“地热之星V2.0”的界面进行了全面的升级，使界面更加美观实用。
“钻孔”的页面保持了原版本软件的特点，可以有使用者根据场地的情况选取不同的钻孔几何尺寸和布置方式，包括线性、L型、双L型、U型、矩形、矩阵型等。
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图1 “地热之星V3.0”钻孔界面
并且对岩土参数、循环液参数的数据库进行了补充和修正，补充了部分岩土和循环液参数。
图2 “地热之星V3.0”岩土参数页面
图3 “地热之星V3.0”循环液参数页面
在岩土参数和循环液参数页面上，对于原先用户比较容易因操作失误而出错的一些地方进行了修改，增加了提示，添加了“修改数据”按钮，方便用户进行操作。
图4 “地热之星V3.0”热泵参数界面
添加热泵的设置也进行了修改，使用户操作更简便。国内一些热泵制造商的最新的地源热泵产品的性能已直接录入软件的数据库，同时用户也可以更加方便的添加热泵的数据，在以后的设计中直接调用。
2.2 新增用户登录页面
“地热之星V3.0”增加了用户登录页面，便于用户保护自身数据的安全，用户在正确输入用户名和密码后才可以使用注册后的地热之星的全部功能。
用户分为管理员用户与一般用户，管理员用户进入地热之星的主页面后，可以通过“用户管理”进行修改密码、添加用户、删除用户等操作，而一般用户没有此项权限。可以在“注册用户里”对话框中添加新的使用用户，新添加用户只具有一般用户权限。
2.3 新增工程信息页面
“地热之星V3.0”新加了“工程信息”页面，工程设计人员填写了该页面的内容后可以在工程输出文件中选择输出该页面上的信息，作为工程报表的一项内容。该页面共分为四个部分：工程基本信息，建筑基本信息，空调设计参数，设计依据。
图5 “地热之星V3.0”工程信息界面
2.4 集成DeST模拟软件
DeST(Designer’s Simulation Toolkits) 是清华大学学者在10年前在认识到当时各种建筑模拟软件的特点与不足的基础上，开发并不断发展完善而形成的建筑动态模拟工具。它基于“分阶段模拟”的理念，实现了建筑物与系统的连接。使之既可用于详细地分析建筑物的热特性，又可以模拟系统性能，较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。“地热之星V3.0”引入了清华大学开发的DeSTII建筑负荷模拟软件，用户只需先将“地热之星V3.0”的安装光盘中附带的“地热之星V3.0”专用版本的DeSTII软件安装在指定目录下，点击负荷页面的“运行DeST”按钮，并根据弹出对话框选择DeST-h或DeST-c，即可调用DeSTII进行建筑负荷计算。
图6 “地热之星V3.0”负荷界面
用户使用DeSTII计算完成后保存工程，关闭DeST界面，返回“地热之星”界面。点击“地热之星”－“建筑负荷”页面上的“读入DeST累加结果”按钮，根据弹出的提示信息，就可以直接读入DeST计算的负荷累加的结果。如果用户想查看DeST计算的逐时负荷，点击“查看DeST计算结果”按钮，DeST计算的建筑逐时负荷将以excel表格的形式打开，用户可以另行保存和打印。
2.5 升级输出报表
“地热之星V3.0”对计算结果输出进行了改进。在用户进行模拟或设计计算之后，点击“结果输出”-“计算结果”页面上的“模拟输出”或者“设计输出”按钮，就能自动将设计参数和计算结果生成模拟输出报表或设计输出报表的excel表格。输出报表的内容包括：工程信息、设计参数、计算结果、图表数据。其中，工程信息报表内容即用户在“工程信息”页面上输入的内容；设计参数则是用户在进行设计和模拟计算之前，所填写的关于钻孔、岩土、循环液、热泵、负荷等设计参数；计算结果包括设计钻孔总长度、钻孔内热阻、循环液Re数、压缩机平均年耗功、每米钻孔的月平均换热量、压缩机耗功、钻孔壁月平均温度、进入热泵的循环液月平均温度、循环液的极值温度、极值温度出现月份等计算得出的参数；数据图表（如图7）是绘制了钻孔壁月平均温度、进入热泵的循环液月平均温度、循环液极值温度在计算年限内的变化趋势的曲线。
这些输出结果可以使用户更加方便的使用设计、模拟结果作为工程设计计算书和研究报告。
3 结语
准确可靠的地埋管换热器设计是保证地源热泵工程经济、有效的重要因素，也是顺利推广地源热泵技术的保障。成熟可靠的设计软件可以提高设计人员的工作效率，提高工程设计的可靠性。“地热之星V3.0”继承了先前版本软件的优点，集成了DeST建筑模拟软件，优化自身设计计算，提高了计算速度和精度，升级了操作界面等，更方便用户使用，是地源热泵工程技术人员和研究人员的有力助手。
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