地源热泵地埋管换热机理及其热物性参数估算方法研究

摘要

随着能源短缺与环境污染问题日益严峻，地源热泵作为可再生能源技术的代表受到了全世界的关注。对于一个确定的地源热泵系统，土壤与回填土热物性参数是核心参数，它决定了地源热泵系统的经济性与节能性。为估算土壤与回填土的热物性参数，实地热响应测试是地源热泵系统设计必不可少的一步。本文主要针对目前实地热响应测试中所暴露的是循环流体温度分布假设不准确、地下换热模型不精确以及迭代优化算法不适合等问题进行了系统的研究，开发了一套能够同时预测土壤与回填土热物性参数的估算方法，更新了热物性参数估算过程中流体温度分布的假设，提出了一种新的能适应全生命周期响应的瞬态准三维全周期响应模型，优化了迭代算法，并分析了钻孔内热阻估算误差对地源热泵系统初投资以及总投资的影响。
　　首先，针对流体温度假设不准确导致钻孔内热阻偏差较大的问题，本文提出了动态p线性平均方法，利用非线性拟合的方法改善了传统方法中循环流体温度分布假设为线性分布的缺陷。通过湖南大学孵化中心实地测试，动态p平均方法估算出的钻孔内热阻比传统方法的估算值低了6.31％。经过误差分析，动态p线性平均方法的最大误差为3％，而传统估算方法的最大误差为40.69％。此外，针对动态p线性方法物理意义较弱的特点，本文通过将理论流体温度分布函数改写为流体进出口温度的函数的方法，改进了p线性平均方法，提出了改进型动态p线性平均方法。利用能够测试出流体温度分布的分布式热响应实验，本文验证了动态p线性平均方法与改进型p线性平均方法均是有效的热物性参数估算方法。
　　其次，为适应估算地埋管内回填土的热物性参数与地源热泵系统短时间内的能耗及性能分析的需求，本文分别开发了适用于恒定热流与变热流条件的瞬态换热模型。与常规瞬态换热模型将地埋管中U型管简化为当量管不同的是，本模型对U型管的进水管与出水管分别建模，同时引入测试钻孔内热阻改进了钻孔结构不确定而造成误差的计算瞬态钻孔内热组。以沙箱实验为例，本模型对于流体进出口温度与土壤温度分布的预测相对误差均在5％以下。如果以流体温度预测误差在0.5℃以下作为预测精度达到要求，则本模型的响应时间为45分钟，满足目前大部分地源热泵系统控制响应时间要求。同时，在恒定热流瞬态换热模型的基础上，本文利用杜哈梅尔叠加方法在时间上叠加各个变热流阶段热流所产生的温度响应，开发了变热流下瞬态换热模型。为简化叠加过程的重复循环，本文采用快速傅里叶方法进行流体温度分布与钻孔周围土壤温度分布的计算。通过河北工程大学内间歇运行实验平台，本文验证了变热流计算条件下瞬态准三维全周期响应模型所预测的流体进出口温度以U型管管壁温度。结果显示，对于流体进出口温度与U型管管壁温度，除了在热流变化的1-2小时之内，其余时刻的温度预测相对误差均在5％以内。
　　最后，本文将瞬态准三维全周期响应模型应用于热响应测试中，同时估算五个土壤与回填土热物性参数（钻孔内热阻、土壤导热系数、土壤导温系数、回填土导热系数以及回填土导温系数）。针对目前多参数优化方法中多参数估算精度低且受初值影响等不利因素，本文首次将遗传算法应用于五热物性参数的估算过程中，提出了一种新的同时预测五个土壤与回填土热物性参数的方法。通过沙箱实验的验证，本文提出的新的热物性参数估算方法不管在鲁棒性上还是在预测精度上均优于常见估算方法。
　　综上所述，本文提出的瞬态准三维全周期响应模型以及新的热物性参数估算方法将对地源热泵系统控制策略的确定以及管长与钻孔间距的确定提供指导意义。本文的创新性工作主要有:
　　1)开发了一套基于改进流体温度分布假设的土壤热物性参数估算方法，并提出了一套循环流体温度分布与循环流体平均温度的计算方法;
　　2)提出了一种适用于地源热泵系统运行全生命周期内的恒热流瞬态换热模型与变热流瞬态换热模型;
　　3)首次将遗传算法应用于土壤与回填土的五参数热物性参数估算方法中，并首次提出了五参数同时估算的方法。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 能源与气候

1．1．2 建筑与可再生能源

1．1．3 地热能与地源热泵

1．2 国内外研究现状与进展

1．2．1 研究概况

1．2．2 地源热泵热响应测试研究进展

1．2．3 地埋管换热模型研究进展

1．3 当前研究缺陷与本文研究重点

1．3．1 流体温度分布假设与流体平均温度计算方法

1．3．2 瞬态换热模型

1．3．3 迭代优化算法与综合参数估算方法

1．4 本研究课题的来源及主要研究内容

1．4．1 本研究课题来源

1．4．2 论文研究框架

1．4．3 主要研究内容

第2章 基于动态p线性平均方法的参数估算方法

2．1 概述

2．2 地下换热器传热模型

2．2．1 孔外传热模型

2．2．2 孔内传热模型

2．2．3 流体平均温度计算方法

2．2．4 参数估算算法

2．3 误差分析

2．3．1 误差分析方法描述

2．3．2 误差结果分析

2．4 实测数据分析

2．4．1 案例描述

2．4．2 p值变化曲线趋势分析

2．4．3 热物性参数估算结果分析

2．5 软件开发

2．6 本章小结

第3章 基于理论流体温度分布模型的参数估算方法及其经济性分析

3．1 概述

3．2 改进型动态p线性平均方法

3．2．1 方法综述

3．2．2 热物性参数估算模型

3．2．3 流体平均温度计算方法

3．2．4 改进型动态p线性平均估算逻辑算法

3．3 分布式热响应测试描述

3．4 结果与分析

3．4．1 不确定性分析

3．4．2 热物性参数估算结果分析比较

3．4．3 不同土壤热物性参数估算方法流体温度分布分析比较

3．5 钻孔内热阻的经济性分析

3．6 本章小结

第4章 恒定热流下瞬态准三维全周期响应模型研究

4．1 概述

4．2 瞬态准三维全周期响应换热模型研究

4．2．1 模型假设

4．2．2 热流模型计算

4．2．3 U型管外热阻计算模型

4．2．4 改进型瞬态钻孔内热阻

4．2．5 进出口温度计算

4．3 验证实验描述

4．4 结果与分析

4．4．1 热阻计算结果分析

4．4．2 流体温度验证与讨论

4．4．3 钻孔外土壤温度分布

4．4．4 沿管长方向的热流分布分析

4．5 瞬态准三维全周期响应模型的应用潜力

4．6 本章小结

第5章 变热流下瞬态准三维全周期响应换热模型研究

5．1 概述

5．2 变热流下地下换热器换热模型

5．2．1 热阻模型描述

5．2．2 流体温度求解方法

5．2．3 变热流叠加准则

5．3 实验验证描述

5．4 结果与分析

5．4．1 流体温度验证

5．4．2 土壤温度分布验证

5．5 间歇运行影响因素分析

5．5．1 运行时间

5．5．2 系统运行启停比

5．5．3 回填土导热系数

5．5．4 热流

5．6 本章小结

第6章 基于遗传算法的热物性五参数综合估算方法

6．1 概述

6．2 土壤与回填土热物性五参数综合估算方法

6．2．1 瞬态准三维全周期响应模型

6．2．2 平均温度计算方法

6．2．3 遗传算法

6．2．4 估算方法

6．3 结果与分析

6．3．1 热响应测试描述

6．3．2 测试结果

6．3．3 迭代方法对比

6．4 本章小结

结论与展望

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)

附录B(攻读学位期间其它科研成果)