岩土热响应测试线热源法的改进

摘要

地源热泵系统中，地埋管换热器是地源热泵的核心部件之一，热泵系统通过地埋管和周围岩土进行热量交换。而地埋管周围岩土的热物性，是设计计算地源热泵换热能力的重要参数，通常使用岩土的热响应测试测量得到。
　　热响应测试的计算模型要求流体的加热功率保持恒定，实际测试中并不能确保这一严格的条件。同时，在对测试结果进行处理时，通常使用埋管进出口流体温度的算数平均代替流体的平均温度，这种假定很实用但是并不严密。为了使现有的计算模型能更好的适应功率变化的情况，同时对算术平均温度的计算结果进行分析和修正，本文做了以下工作。
　　首先建立了地埋管换热器的三维数值模型，计算分析了在热响应测试条件下埋管区域流体和固体的温度分布和变化，并与实际测试结果进行了比较分析，发现两者具有有很好的一致性。这一数值模型为后续的研究提供了基础。
　　热响应测试往往在野外进行，流体加热器供电电压波动的情况很常见，甚至会出现断电。断电后，如果恢复原始地温重新测试，会增加费用和时间。另一方面，岩土热响应试验过程中测试间的地温未恢复，第二次测试的结果受到第一次测试温度场的影响而不可信。所以本文考虑到热流叠加的影响，提出了一种基于线热源叠加原理计算土壤平均导热系数的方法，利用时间函数和流体平均温度之间的线性关系可以方便的计算得到土壤导热系数。
　　在钻孔内的换热中，已有一些钻孔内的热阻模型，或是经验公式或是解析解，本文分析现有的一些钻孔内热阻模型，建立了不同管间距的二维地埋管换热器的传热模型，并将数值模拟得到的钻孔热阻与现有热阻模型的计算结果进行了比较，分析了不同的模型和数值模拟计算结果的偏差，得到了最优的钻孔热阻和埋管管腿间热阻的表达式。利用地埋管换热器的热阻和能量平衡方程建立了温度分布的方程组，求解出管内流体的温度分布。本文验证了使用流体进出口算术平均温度计算的土壤的导热系数的可靠性，并修正了由进出口温度算术平均计算钻孔热阻的偏差。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 地埋管换热器国内外研究现状

1.3 本文的研究内容和意义

2 热响应测试的线热源叠加法

2.1 钻孔外模型选择

2.2 常规线热源方法计算

2.3 线热源叠加法及计算结果

2.4 本章小结

3 地埋管换热器三维数值模型

3.1 CFD数值模型的建立

3.2 CFD模型的验证

3.3 本章小结

4 地埋管换热器钻孔内热阻与流体温度分布

4.1钻孔内的热阻模型研究

4.2 地埋管换热器内流体的温度分布

4.3 算数平均温度假设结果的修正

4.4 本章小结

5 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A. 作者在攻读学位期间发表的论文及成果