竖直地埋管换热器不确定性设计传热模型研究

摘要

竖直地埋管地源热泵系统利用清洁可再生的浅层地热能作为低品位热源（汇），具有低碳节能、环保高效、运行稳定的优势。其中，地下换热器的设计对整个系统高效稳定运行起决定性作用，也是影响系统经济性、制约技术推广的主要原因。然而，常规确定性设计方法忽略了随机因素的影响，如传热模型不确定性、岩土热物性参数不确定性、建筑负荷不确定性、热泵机组特性不确定性等，对于无法准确获得实际数值的参数，往往通过考虑最不利工况或添加安全系数的方法考虑设计过程中的最大不确定性，容易造成设计余量过大。因此，本文对底层传热模型和设计主要环节参数的不确定性进行深入探索，构建综合考虑多种不确定性因素的竖直地埋管换热器设计理论框架，科学合理地描述输入参数不确定性到设计输出不确定性的传播过程。
　　首先，通过文献调研，遴选出地源热泵工程设计中具有代表性的传热模型，对其假设条件、边界及初始条件等基本设定和求解方法进行了详细解析，在此基础上，建立了动态环境作用下的二维轴向-径向解析（DCFLS）模型。模拟分析和实验验证结果显示，该模型能够很好地揭示换热器与岩土之间的传热机理。利用DCFLS模型，基于空间叠加原理和改进的负荷块聚合法，开发了变负荷工况下多个钻孔竖直地埋管换热器的设计方法。
　　其次，为考察工程中热响应测试环节对地下换热器设计过程的影响，深入研究了热响应测试中评估参数的选取以及参数评估的优化算法，使用信赖域内点反射法及单纯形法、对同一组测试数据进行基于不同传热模型的参数评估，发现在优化目标函数计算上，DCFLS模型的表现优于常热流作用下的其他代表性模型。
　　同时，定量分析了岩土热物性参数估计模型与地下换热器设计模型的匹配问题。结果表明，常热流作用下，模型不匹配可造成±5-15％流体温度计算相对偏差，在模型匹配情况下，DCFLS模型与权威的DST模型之间相对偏差最小；模型不匹配对半经验公式方法地埋管总长度尺寸设计计算的影响较小，但对变负荷工况下长期模拟预测设计方法影响较大，在模型匹配情况下，DCFLS设计结果与TRNSYS设计结果最为接近。
　　鉴于所提出的DCFLS模型在计算准确性、运算速度以及使用灵活性方面的良好表现，结合Monte Carlo随机模拟技术，提出了以DCFLS为底层模型的竖直地埋管换热器不确定性设计理论框架，明确了不确定性设计的基本原理和实施步骤，并给出了主要环节设计参数的不确定性量化方法。
　　最后，应用建立的不确定性设计方法，以某高校图书馆建筑为研究对象，进行地下换热器设计，结果表明，不确定性设计方法能够描绘设计输出的所有可能性，通过可视化经验累积概率分布函数进行基于风险评估的决策选择，比传统确定性设计方法的可靠性更高。
　　本课题是工程实际中提炼出的基础问题，以理论解析、实验验证以及计算机模拟相结合的方法，对竖直地埋管换热器设计中的底层传热模型及参数不确定性问题展开深入研究。研究成果是对传统设计方法的扩展和改进，可为我国地源热泵技术的推广和应用提供必要的理论指导和技术支持。

目录

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物理量名称及符号表

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题背景及意义

1.3竖直地埋管换热器传热模型的研究进展

1.4热响应测试技术的研究进展

1.5系统设计方法的研究进展

1.6研究现状总结

1.7论文主要研究内容

第2章 竖直地埋管换热器传热模型理论分析

2.1传热模型物理数学描述

2.2岩土温度预测模型

2.3算例分析

2.4传热流体温度预测模型

2.5本章小结

第3章 动态环境作用下传热模型的建立及应用

3.1动态环境

3.2单个钻孔数学模型的建立

3.3模型求解及验证

3.4多个钻孔地埋管换热器系统设计方法

3.5本章小结

第4章 热响应测试制约下的计算偏差分析

4.1热响应测试技术研究

4.2热响应测试制约下的模型计算偏差分析

4.3热响应测试制约下的设计计算偏差分析

4.4本章小结

第5章 竖直地埋管换热器不确定性设计理论框架

5.1不确定性设计原理

5.2系统冷热负荷不确定性

5.3热泵参数不确定性

5.4岩土热物性参数不确定性

5.5本章小结

第6章 竖直地埋管换热器不确定性设计应用实例

6.1建筑基本信息及基准参数

6.2建筑负荷不确定性分析

6.3热泵机组性能系数不确定性量化

6.4其他不确定性参数量化

6.5不确定性设计结果分析

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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