基于季节性储能的地埋管换热器优化及性能研究

摘要

土壤源热泵由于利用低品位可再生能源，被称为21世纪绿色环保的空调系统。该系统的核心是地埋管的设计及其与周围岩土的复杂换热。然而这种系统，在工程案例中所暴露的问题是:钻孔埋深过大，流体与深处土壤的换热性能变弱，同时极大地增加了钻孔初投资;另外由于土壤导热系数较小，传热热阻较大，使得地埋管周围一定距离的土壤能量得不到充分利用，不仅浪费了部分地埋管的占地面积，而且不利于土壤的有效蓄能。
　　本文基于季节性储能，建立管群的优化模型，以常规设计的占地面积与钻孔费用为临界标准，得到了不同的小埋深，小间距组合方案，进而选取四组模型进行动态模拟。
　　本课题利用DeST计算了南京某办公建筑的动态负荷，而后根据选取的四组管群模型，借助FLUENT及利用C语言编辑UDF程序进行数值模拟，得到流体与土壤的换热特性。模拟结果表明:1）小埋深，小间距的管群布置方式相比常规设计模式，在满足相同储能的情况下，可以更有效的节约占地面积及钻孔费用;2）优化模型中，虽然钻井数增多，但埋管间距大于1m时，仍可以有效降低钻井费用;而当埋深大于25m时，也可以有效降低管群占地面积;3）优化模式中，管群内层可以有效的蓄能，以备下个季节使用;4）提前控制管群吸放热不平衡率的前提下，经过一年工况后，优化模型对应的土壤温度不平衡率低于5％;5）不同径向距离处的土壤温度梯度较小，表明土壤能量可以被充分利用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 地埋管换热器传热模型研究现状

1．3 土壤源热泵系统国内优化研究现状

1．4 土壤源热泵系统国外优化研究现状

1．5 季节性储能的概述

1．6 土壤蓄能的研究现状

1．7 钻孔埋深对换热性能的影响的研究现状

1．8 本文的研究方法与研究内容

2 基于季节性储能的管群优化方案探讨

2．1 建筑负荷计算

2．1．1 负荷计算结果

2．2 优化的基本模型

2．3 决策变量的确定

2．3．1 土壤作为绝热蓄能体来计算

2．3．2 考虑土壤散热量的计算

2．3．3 考虑土壤不平衡的计算

2．3．4 埋深间距匹配

2．4 目标函数的确定

2．5 约束条件的确定

2．6 本章小结

3 地埋管管群换热器传热模型

3．1 地埋管换热器传热过程

3．2 管群传热模型

3．2．1 管群物理模型

3．2．2 管群数学模型

3．3 相关参数确定

3．4 埋管进出口拟合公式

3．5 管群模型的数值求解

3．5．1 管群网格划分

3．5．2 UDF程序

3．5．3 数值求解

3．6 本章总结

4 地埋管管群流体换热特性分析

4．1 温度特性分析

4．2 单井换热量特性分析

4．3 性能系数特性分析

4．4 本章小结

5 固体储能特性研究

5．1 固体温度特性研究

5．2 固体能量特性研究

5．3 管群温度场特性研究

5．3．1 制冷工况

5．3．2 制冷恢复工况

5．3．3 制热工况

5．3．4 制热恢复工况

5．4 管群温度梯度特性研究

5．4．1 制冷温度梯度

5．4．2 制冷恢复温度梯度

5．4．3 制热温度梯度

5．4．4 制热恢复温度梯度

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 本文创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况