地源热泵桩埋U型管模型及现场热物性测试研究

摘要

地埋管地源热泵技术由于其节能减排及环保的特点目前在全球范围内广泛应用，竖直埋管换热器的形式应用最多。虽然竖直埋管换热器系统所需的钻孔占地面积较少，特别是相对于水平埋管地源热泵系统，节约了用地。但是还是需要额外占地，且高额的钻井费用及埋管施工费用在一定程度上也制约了其推广，特别是在寸土寸金的城市中心，成为了采用这一节能技术的瓶颈。因此，结合桩基的桩埋管地源热泵系统正在逐步广泛的应用中。另一方面，在地埋管地源热泵系统的设计中，岩土热物性参数作为一个设计中的重要的影响因素，其准确性在一定程度上决定了系统设计的合理性以及后期运行的高效性。为了获取准确的热物性参数，需要知道地埋管运行过程中的传热机理及换热的性能。因此需要能够描述地埋管实际运行及传热的模型，从而通过模拟及实际工程获取准确的前期数据，用于设计和系统预测。但是对于桩埋管地源热泵系统还没有统一的针对短期响应时间内的解析解模型，故在工程实际中得到准确的岩土热物性参数成为一个难题。
　　本文提出了一种适用于桩埋U型管换热器传热计算的新模型：复合圆柱源模型，并在MATLAB平台上实现了模型的模拟计算。新建的复合圆柱源模型考虑了桩基内热容和桩基径向尺寸较大的特性，可以在短期响应内较好的反映埋管换热器的热响应特性，适用于径向尺寸较大的桩埋管传热计算。用复合圆柱源模型与线热源及圆柱源等经典模型进行了比较。同时为了验证复合圆柱源模型的可靠性，利用有限体积法在MATLAB平台上，建立三维数值模型，与复合圆柱源模型进行对比。对比结果表明复合圆柱源模型有较好的准确性，在一定范围内可以为工程提供参考。对桩基内不同的布置形式进行了热阻计算式的推导，并进行了不同配置下的温度响应对比和换热量分析。结合一实际热物性测试项目，利用复合圆柱源模型进行了桩埋管地源热泵系统的岩土热物性反演计算。
　　本文的研究能够为桩基地埋管地源热泵系统的设计计算及换热量分析提供较好的技术支持，尤其为桩埋管地源热泵系统的岩土热物性测试提供了参考。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 桩埋管地源热泵系统简介

1.3 桩埋管国内外研究的现状

1.4 本课题研究的具体内容及研究方法

2 适用于桩埋U型管的解析解模型的建立

2.1 岩土热物性测试的传热模型

2.2 复合圆柱源模型的建立

2.3 变热流热响应测试

2.4 复合圆柱源模型与原有模型的对比

2.5 本章小结

3 桩埋管三维传热模型的建立

3.1 三维数值模型的建立及网格划分

3.2 模型的假设条件

3.3 模型数学描述

3.4 方程的定解条件

3.5 程序设计流程图

3.6 三维数值模型敏感性分析

3.7 本章小结

4 复合圆柱源模型的验证

4.1 复合圆柱源模型和桩埋三维瞬态模型对比

4.2 复合圆柱源模型误差分析

4.3 本章小结

5 复合圆柱源模型的完善

5.1 考虑桩基内准三维模型

5.2 桩埋管特殊埋管形式热阻推导

5.3 桩埋管不同布置形式对温度响应的影响

5.4 桩埋管不同布置形式对换热量的影响

5.5 本章小结

6 复合圆柱源模型在反演岩土热物性参数中的应用

6.1 岩土热响应试验原理与测试仪

6.2 复合圆柱源模型在工程实例中的应用

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录

附录2 攻读学位期间参与的项目目录