竖直埋管换热器传热计算方法研究

摘要

地源热泵作为一种节能、环保和高效的空调系统,在民居建筑和商业建筑中应用越来越广泛。地埋管换热器的传热分析研究是地源热泵技术的核心和应用基础。本文主要对地埋管地源热泵系统的竖直埋管的传热机理进行了研究,确定竖直埋管准确的传热模型,并在此基础上建立竖直埋管换热器设计和模拟计算方法。
　　 在分析现有传热模型的基础上,本文由钻孔壁将竖直埋管换热器传热模型分为两部分:钻孔外的传热模型和钻孔内的传热模型,并求得传热过程的解析解。主要结论有:
　　 1.得出有限长线热源模型瞬态温度响应的新解析解,并得到钻孔壁代表温度平均温度的一维积分解析式。该解析式可以直接应用于工程设计中,从而避免了采用中点温度为钻孔壁代表温度所造成的地埋管换热器长度设计偏大的问题。
　　 2.提出不同的流体平均温度分析钻孔内热阻。在钻孔内准三维传热模型基础上,对单U型埋管,采用对数流体平均温度计算钻孔内热阻；对并联布置双U型埋管,采用几何流体平均温度计算钻孔内热阻。这种计算方法可以避免由算术平均温度计算钻孔内热阻造成的误差。
　　 3.在上述理论研究成果的基础上,建立准确的地埋管换热器的设计和模拟计算方法。通过叠加脉冲热流温度响应得到流体温度响应新方程,并在此基础上确立快速的逐时计算方法——部分负荷计算方法。应用该方法对竖直埋管换热器进行逐时模拟计算,并与全负荷计算方法进行比较。结果表明,针对三种不同结构钻孔的1年和20年逐时模拟,最大误差分别为1.8℃和2.4℃,该精度水平完全满足地埋管换热器的逐时模拟要求,表明部分负荷计算方法是合适的快速逐时计算方法。
　　 本文研究工作发展了基于解析解和叠加原理的地埋管换热器传热分析方法,建立了地埋管换热器的快速设计计算方法。这些研究成果可以直接应用于地埋管换热器的设计和模拟计算,具有较大的理论意义与应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 热泵技术及地源热泵系统

1.1.2 地源热泵系统的优点

1.2 地源热泵的历史发展及研究进展

1.2.1 地源热泵的历史发展

1.2.2 地源热泵的研究进展

1.3 本文研究内容及其意义

1.3.1 研究内容

1.3.2 理论意义和应用价值

第2章 钻孔外的传热模型

2.1 无限长线热源模型

2.2 有限长线热源模型

2.2.1 数学模型

2.2.2 g-函数方法

2.2.3 钻孔壁代表温度及其g-函数

2.3 有限长线热源的改进解法

2.3.1 新的单孔钻孔壁中点温度的g-函数

2.3.2 新的单孔钻孔壁平均温度的g-函数

2.3.3 多孔钻孔壁中点和平均温度的g-函数

2.3.4 有限长与无限长的线热源模型数学关系

2.4 模型计算与分析对比

2.4.1 计算时间比较

2.4.2 单个钻孔中点和平均温度g-函数的比较

2.4.3 多孔g-函数计算比较

2.5 小结

第3章 钻孔内的传热模型

3.1 一维传热模型

3.2 二维传热模型

3.3 准三维传热模型

3.3.1 数学模型和管内流体温度分布

3.3.2 钻孔内热阻

3.4 新的流体平均温度分析钻孔内热阻

3.4.1 p-线性无量纲温度及其平均温度

3.4.2 钻孔内热阻分析

3.5 小结

第4章 地埋管换热器设计和模拟计算方法研究

4.1 流体温度响应基本方程

4.1.1 阶跃热流作用下流体温度响应

4.1.2 变负荷作用下流体温度响应

4.1.3 流体温度响应计算方法

4.2 流体温度响应新计算方法

4.2.1 流体温度响应新方程

4.2.2 部分负荷计算方法

4.3 计算与讨论

4.3.1 单位钻孔负荷模型

4.3.2 流体温度响应1年逐时计算

4.3.3 流体温度响应20年逐时计算

4.4 小结

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)