土壤源热泵系统换热器传热特性影响因素研究与优化设计

摘要

土壤源热泵系统利用埋设于地下的换热器与土壤交换热量，提升了可再生浅层地热能的能量品位。目前对于热泵系统的研究主要集中在地埋管换热器上，对如何保证系统的可靠运行等方面一直没有大的突破。因此，针对土壤热泵系统寿命周期内的运行工况开展深入研究是一项具有理论价值与实际价值的课题。本文通过分析影响埋管换热、土壤温度及机组COP的因素，进而研究系统运行状况。具体工作内容如下:
　　 首先，本文建立了两区域实心圆柱地埋管换热器模型、热泵机组模型、水泵及建筑物的数学模型，借助计算机编程将各模型集成为完整的土壤源热泵系统。考虑到常热流模型理论的缺陷，文中通过引入叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻理论将其发展为变热流模型，利用已建试验台以及温度采集系统对一个供暖季进行数据采集，将实验数据与模拟结果进行比较，误差均小于15％，验证了本文所建数学模型的正确性、可靠性。
　　 其次，本文从影响地埋管换热及系统运行的因素入手，分析了土壤热物性、热媒流速、回填材料导热系数、管材导热系数对埋管换热器换热的影响;着重分析了不同建筑负荷比下、不同管长下、不同钻孔数下土壤源热泵系统运行的可靠性，从而为地埋管换热器的优化设计及空调系统参数匹配提供了理论与技术支持。
　　 最后，本文选取钻孔深度和钻孔数量为优化变量，以热泵机组的进口温度建立目标函数，以所建模型为平台，提出了土壤源热泵系统的优化方法，并应用于实例计算。
　　 本论文的研究将使土壤源热泵系统的设计更合理，系统运行更可靠，使其在今后的工程实践中得以普遍推广和使用，并且充分发挥自身节能环保的特点，促进暖通行业的发展。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 土壤源热泵国内外研究现状

1．2．1 国外的发展及研究现状

1．2．2 国内的发展及研究现状

1．3 模型理论

1．3．1 埋地换热器的解析解模型

1．3．2 地埋管换热器的数值解模型

1．4 课题的提出

1．5 本文主要研究内容

第2章 土壤源热泵系统模型的建立

2．1 地埋管传热模型的建立

2．1．1 钻孔壁外模型

2．1．2 钻孔内模型

2．2 热泵模型的建立

2．3 水泵模型

2．4 建筑物负荷模型

2．5 埋管换热效率的定义

第3章 土壤源热泵系统的运行测试分析

3．1 试验台简介

3．2 测试目的及方案

3．3 其它条件的确定

3．3．1 土壤的初始温度

3．3．2 室外温度的确定

3．3．3 建筑物负荷

3．3．4 土壤热物性参数

3．4 模型求解及验证

第4章 地埋管换热器影响因素及优化分析

4．1 地埋管换热器影响因素分析

4．1．1 土壤热物性对换热的影响

4．1．2 流速对换热的影响

4．1．3 回填材料对换热的影响

4．1．4 管材导热系数对换热的影响

4．1．5 各种影响因素的敏感性分析

4．2 土壤源热泵系统长期运行模拟分析

4．2．1 建筑物冷热负荷比对系统的影响

4．2．2 钻孔数量及深度对系统的影响

4．2．3 运行特性控制

4．3 系统的优化

4．3．1 优化参数的确定

4．3．2 优化设计的目标函数

4．3．3 优化设计的实施

4．3．4 优化设计的算例

4．3．5 其他优化方法

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢