地源热泵地埋管换热器的传热特性研究及工程设计软件开发

摘要

随着国际能源的日益紧张,替代石油的可再生能源不断受到人们关注。地源热泵系统由于其高效、节能、环保的特性,近年来日益得到人们的重视和推广。本文着眼于地源热泵U型埋管换热器的传热性能研究,从而为地源热泵技术的推广利用打下理论基础。 首先分析研究了钻孔外两种换热模型即有限长线热源模型和变热流圆柱源模型。通过建立的有限长线热源模型,求得了半无限大介质土壤的瞬态温度响应,研究了冷热不平衡负荷全年运行对土壤温度的影响,分析了钻孔壁温度沿深度方向的变化特性。研究结果表明：距离线热源越远,达到“准稳态”所用的时间越长。土壤温度受热流影响的程度越小。随着孔洞深度的增加,钻孔壁温度先急剧增大,然后基本保持稳定,最终呈下降趋势。鉴于有限长线热源模型与实际传热模型不甚吻合,建立了更加符合实际情况的变热流圆柱源模型,该模型考虑到了地源热泵系统在实际运行中,埋管换热器从土壤中的取(放)热量随建筑负荷的变化,并引入了“负荷累积效应”来简化模拟全年逐时动态负荷的模型。 建立了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,通过对U型埋管两支管内循环流体的能量平衡方程的分析与推导,求得了该传热问题的解析解,得到了计算U型管换热器中流体温度沿深度变化的解析式。进一步研究了回填材料、管内流量、管脚间距、管材导热系数等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并引入了钻孔换热效率来评价地下换热器的换热性能。 介绍了计算地埋管长度的工程设计半经验公式方法,由于该模型中存在着过多的假设和简化,造成了地埋管的设计长度偏大。本文基于钻孔壁温度耦合了钻孔内外模型,采用Visual Basic编写了一套适合于地下换热器设计计算的工程应用软件。该软件嵌入了EXCEL数据接口,可以方便地输入全年动态负荷,并且能够显示地源热泵机组全年运行的温度曲线、最热月运行的温度曲线、最冷月运行的温度曲线。 参与搭建了用于测试土壤热物性的地源热泵试验台。结合地源热泵系统单井热响应测试实验,得到了地下埋管回路中循环水温度随时间的变化规律。并以理论计算得到的流体平均温度和现场实测的流体平均温度的方差为目标函数,以土壤导热系数,钻孔内热阻为优化变量,采用MATLAB遗传算法进行优化,得出了理论计算的土壤导热系数和钻孔内热阻。

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文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章：绪论

1.1地源热泵系统研究的背景及意义

1.2地源热泵系统概述

1.2.1地源热泵系统原理

1.2.2地源热泵系统分类

1.3国内外研究及应用进展

1.3.1 国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本课题研究内容

第二章地下换热器传热模型回顾和热泵机组模型

2.1地埋管地下换热器传热模型回顾

2.1.1解析解模型

2.1.2数值解模型

2.2地源热泵机组模型的研究

2.2.1空调用户末端设备换热模型

2.2.2热泵机组换热模型

2.2.3地下换热器换热模型

2.2.4地源热泵模型的求解

第三章地埋管换热器传热模型研究

3.1 地埋管换热器传热模型研究

3.1.1钻孔外模型的提出

3.1.2钻孔内模型的提出

3.1.3 U型埋管换热器的效能e

3.2 U型埋管换热器换热特性研究

3.2.1回填物导热性能的影响

3.2.2管内流量的影响

3.2.3管脚间距的影响

3.2.4管材导热性能的影响

3.2.5埋管换热器效能e的影响

第四章地埋管换热器的设计

4.1工程设计用的半经验公式方法

4.2地埋管换热器设计软件编制

4.2.1地埋管换热器负荷的确定

4.2.2地热换热器循环流体出口温度Tmax和Tmin确定

4.2.3埋管换热器的设计步骤

4.2.4埋管换热器的设计软件

第五章土壤热物性分析及现场测试

5.1土壤热物性参数分析

5.1.1土壤比热容

5.1.2土壤导热系数

5.1.3土壤导温系数

5.2土壤的初始温度

5.2.1土壤的温度分布

5.2.2土壤初始温度的计算

5.3土壤热物性的现场测量

5.3.1现场测试的原理

5.3.2实验测试的流程图

5.3.3实验测试数据的处理

第六章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文