竖直地埋管换热器热响应模型与传热分析方法研究

摘要

地源热泵系统是利用地下浅层地热资源，为建筑供热或制冷的高效节能型空调系统，竖直埋管换热器长期传热分析是地源热泵系统研究的基础，现有的传热分析模型复杂且计算速度较慢。本文介绍了用于地埋管换热器更为高效、准确的长期传热模拟热响应模型，并结合实验数据论证了热响应模型的准确性。
　　对竖直埋管换热性能的分析中，通常以钻孔壁为边界将传热计算分为两个区域：钻孔内区域和钻孔外区域。对于钻孔内传热模型，采用钻孔内准三维稳态传热模型和 p-线性无量纲平均温度求解钻孔内的热阻。对于钻孔外传热模型，采用有限长线热源模型模拟钻孔外的非稳态传热过程，通过改进现有有限长线热源模型，得出精度高且计算速度更快的新热响应模型。
　　本文结合虚拟热源法和格林函数，分析了考虑钻孔埋深时有限长线热源模型和求解钻孔壁温度的热响应因子h-函数，同时对钻孔长度进行分段模拟得出了改进 h-函数，通过编程模拟验证了改进 h-函数模型的准确性。在单钻孔钻模型的基础上，引进了求解多钻孔变负荷时钻孔壁温度响应的三种边界条件，并分别讨论了三种边界条件下改进h-函数的模拟多钻孔钻孔壁温度响应的差异性。
　　实际作用在地埋管换热器上的热流时随时间发生变化的，本文引入矩形脉冲热流作用下的热响应模型（即δ-函数）模拟变热流作用下钻孔壁温度响应。为进一步提高该模型的计算效率，通过引入了快速傅里叶变换（FFT算法）改造δ-函数中的卷积，极大的提高了计算速度。
　　本文对两种热响应模型（h-函数，δ-函数）的计算精度和时间进行了系统全面的比较，并运用实验来论证热响应模型的精确性，通过对比实验数据与模拟结果，热响应模型模拟结果与实验数据吻合良好。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 热泵技术及地源热泵系统

1.3 地源热泵技术的发展

1.4 地埋管模型理论研究进展

1.5 本文研究内容

第2章 地埋管传热模型

2.1 格林函数原理介绍

2.2 钻孔外传热模型

2.3 有限长线热源传热模型温度响应和g-函数

2.4钻孔内传热模型

2.5 钻孔内流体温度响应

2.6 小结

第3章 考虑钻孔埋深的钻孔外传热模型

3.1 考虑钻孔埋深的有限长线热源模型

3.2 多孔钻孔壁平均温度h-函数

3.3 改进的h-函数

3.4 多孔钻孔域温度场分析

3.5小结

第4章 地埋管换热器逐时模拟算法

4.1逐时模拟算法简介

4.2变负荷作用下流体温度响应及热响应因子δ-函数

4.3逐时温度的快速傅里叶变换计算

4.4 不同响应因子模拟计算时间比较

4.5 实验论证

4.6 模拟结果与实验数据对比

4.7 结论

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)