土壤源热泵系统地埋管换热器方案设计及优化研究

摘要

土壤源热泵系统作为一种可再生能源利用技术，是建筑空调领域中重要的系统形式之一，该系统以大地作为建筑空调系统的冷热源，实现系统高效、节能运行。合理有效的设计地埋管换热器系统是土壤源热泵系统高效运行的前提条件，而岩土热响应测试和方案设计的优化计算又是该过程的关键点。本文综述了国内外土壤源热泵技术及地埋管换热器设计计算方法的发展及研究现状，分析了目前地埋管换热器系统设计及实际运行中存在的一些问题，为本文主要的研究工作奠定理论基础。为了解决存在的问题，提高地埋管换热器系统的换热性能及实际运行的可靠性，本文对地埋管换热器的方案设计及优化方法进行了研究。
　　首先，本文对地埋管换热器与周围土壤的换热过程进行分析，结合土壤结构的分层性和土壤热物性参数的多变性，以“热阻分层法”理论作为土壤层划分的依据，建立竖直双U型地埋管换热器分层换热单孔模型。依托重庆某岩土热响应测试工程，获取实测数据，利用Fluent软件对测试工况进行仿真模拟，并从地埋管不同时刻进出水温度和同一时刻不同深度管壁温度两方面进行模拟与实测结果的对比验证，平均相对误差分别为0.99％和0.96%，且进出水温差的平均相对误差为3.26%。综合误差分析，本文认为该模型具有可靠性且计算精度较高。
　　其次，根据工程实例计算的对比分析，指出常规热响应测试法与分层换热模型热响应测试法的应用差异及存在的问题，且主要受地质结构复杂程度的影响，进一步证实分层换热模型热响应测试法的优越性。在此基础上，结合“热阻分层法”和分布式光纤测温系统的应用原理，提出一种可实现土壤竖向分布式测温的热响应测试法，在提高热响应测试可靠性与精确度的同时，降低了施工及测试难度。
　　最后，通过地埋管换热器方案设计的实例计算，发现传统工程设计法一般会导致地埋管换热器系统的设计水流量及进出水温差与热泵机组源水侧名义运行参数存在较大的不匹配性。通过分析其中原因及方案优化的影响因素，提出一种适用于不同土壤热平衡分析结果的地埋管换热器方案优化设计方法。据此方法利用地埋管换热器分层换热模型进行方案优化设计的模拟研究，并以“综合能效经济性指标”作为评价依据，对原方案进行优化设计及系统运行调控策略分析。由此进一步验证该方案优化设计方法的可行性，为土壤源热泵系统的方案优选及现有系统的优化改造，提供重要的应用依据。

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目录

1 绪 论

1.1 本课题研究背景

1.2 地源热泵的发展

1.3 土壤源热泵技术的发展与研究现状

1.4 本课题研究的意义及内容

2 U型地埋管换热器换热模型建立

2.1 U型地埋管换热过程分析

2.2 地埋管换热器传热模型

2.3 竖直双U型地埋管换热器分层换热模型

2.4 本章小结

3 地埋管换热器分层换热模型验证

3.1 热响应测试系统简介

3.2 热响应测试及结果分析

3.3 模型验证

3.4 本章小结

4 分层换热模型在热响应测试中的应用

4.1 热响应测试目的

4.2 热响应测试方法

4.3 新型热响应测试法

4.4 本章小结

5 地埋管换热器方案设计及优化研究

5.1 工程设计的一般方法

5.2 地埋管换热器方案设计实例

5.3 地埋管换热器方案设计优化研究

5.4 方案优化设计及调控策略分析

5.5 本章小节

6 结论及展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. UDF自定义程序