住宅向け地中熱源ヒート ポンプ
この例では、熱分布のための温水ラジエーターを備えた住宅の暖房に使用される地中熱源ヒート ポンプ システムをモデル化します。地中熱源ヒート ポンプは、二相流体冷媒である R410a を作動流体として使用します。このヒート ポンプは、地中に蓄積された自然に存在する熱を吸収し、その熱を温水ラジエーターに伝達します。圧縮機により、冷媒が凝縮器、サーモスタット膨張弁、蒸発器の順に送られます。アキュムレータにより、必ず蒸気だけが圧縮機に戻されます。受液器により、必ず液体だけがサーモスタット膨張弁に戻されます。
冬の間、土壌が熱源として機能します。地中ループと呼ばれる一連の連結されたパイプが、住宅近くの地中に浅い深さで水平に埋設されています。これは、周囲の土壌から熱を吸収する、水と不凍液の混合物を循環させます。この例で使用される不凍液は、無毒と見なされているプロピレン グリコールです。地中ループ ポンプが、ヘッダー パイプ、地中ループ パイプ、および蒸発器に、水と不凍液の混合物を通します。凝縮器を通る水の流れは循環ポンプによって駆動されます。凝縮器から出ていく温水は温水貯蔵タンクに貯蔵されます。タンクからラジエーターへの温水の流れは配水ポンプによって駆動されます。PI コントローラーが、循環ポンプおよび配水ポンプへの冷媒と温水の質量流量を調整します。このコントローラーは、-1℃から 11℃までの間で変化する周囲温度に対応しながら、建物の平均気温を設定点の 23℃前後に保ちます。地温は 8℃から 12℃までの間で変化します。
住宅には 4 つのラジエーターと 4 つの部屋があります。各部屋は、それぞれの外壁、屋根、窓を通じて環境との間で熱を交換します。各パスについて、熱対流、熱伝導、および熱質量の組み合わせとしてシミュレーションを実行します。内部における部屋間での熱伝達はないものと仮定します。部屋の初期室内温度は周囲温度と等しい 5℃で、初期地温は 10℃と等しくなります。ヒート ポンプにより、平均室内温度が設定点温度の 23℃まですぐに上昇します。
この例は、周囲温度が -1℃から 11℃までの間で変化し、地温が 8℃から 12℃までの間で変化するときに、建物の平均気温を設定点温度の 28℃までに保つために使用できます。
モデル
House Thermal Network サブシステム
Radiator サブシステム
Room サブシステム
Controller サブシステム
Temperature Controller サブシステム
Ground Environment サブシステム
Ground Loop Piping サブシステム
Scope からのシミュレーション結果
Simscape ログからのシミュレーション結果
このモデルを使用して、ResidentialGroundSourceHeatPumpPlot1T スクリプトを使用することで、室内および屋外の温度の変動をプロットできます。以下に示す上のサブプロットは、各部屋の温度変化と屋外の気温および地温の変動の比較を示しています。以下に示す下のサブプロットは、屋根、壁、窓の全体の平均温度を示しています。部屋の初期室内温度は周囲温度と等しい 5℃です。ヒート ポンプにより、平均室内温度が設定点温度の 23℃まですぐに上昇します。初期の地温は 10℃と等しくなります。
このモデルを使用して、ResidentialGroundSourceHeatPumpPlot2Energy スクリプトを使用することで、ヒート ポンプのさまざまなコンポーネントの消費電力および熱負荷をプロットできます。以下に示す上のサブプロットは、圧縮機による消費電力、ヒート ポンプ システムの加熱負荷である凝縮器の熱伝達率、および蒸発器の熱伝達率を示しています。以下に示す下のサブプロットは、パフォーマンス係数である加熱負荷と消費電力の比を示しています。これらのプロットは、熱負荷が高い (つまり周囲温度が低い) ときは消費エネルギーが多くなり、熱負荷が低い (つまり周囲温度が高い) ときは消費エネルギーが少なくなりますが、パフォーマンス係数は全期間を通してほぼ一定であることを示しています。
このモデルを使用して、ResidentialGroundSourceHeatPumpPlot3PMdot スクリプトを使用することで、冷媒の圧力と流量の変動をプロットできます。以下に示す上のサブプロットは凝縮器および蒸発器での冷媒の圧力を示し、下のサブプロットは冷媒の質量流量を示しています。圧力と流量が高いのは、周囲温度が低く、ヒート ポンプから伝達する必要がある熱が多いときに対応しており、圧力と流量が低いのは、周囲温度が高く、ヒート ポンプから伝達する必要がある熱が少ないときに対応しています。
