地源热泵U型竖直埋管钻孔外传热模型研究

摘要

地源热泵是解决节能环保问题的一大途径,其钻孔外区域的传热为非稳态过程,较为复杂,是现阶段地源热泵设计需要解决的一大关键问题,开展地源热泵钻孔外传热模型的研究,具有重要的实际意义。针对地源热泵钻孔外传热模型的研究,本文建立了有、无渗流下单孔解析模型、群孔传热解析模型和动态负荷解析模型,研究成果对地源热泵的设计具有较高的参考价值。论文主要研究工作如下:
　　 首先,通过格林函数法,引进虚拟热汇,考虑热流在钻孔径向的空间分布,建立无渗流下单孔有限长圆柱面、圆柱体热源模型,经实例验证,本文模型与实际更为接近。另外经误差分析,在无量纲量1n(F0)小于某数值下,有限长线热源、有限长圆柱面、圆柱体热源模型的差别较大,在1n(F0)超过这一数值后,三模型相差不大。
　　 其次,考虑地面边界条件、钻孔的有限深度,建立渗流下单孔有限长线热源模型,并进行了影响因素分析。由本文模型分析,渗流下游温升略高于渗流上游。与现有无限长线热源模型相比,该模型在近地面、钻孔底部位置,温升逐渐降低,与实际更为接近。
　　 再次,在单孔有限长圆柱体热源模型的基础上,提出临界半径的概念,将积分区域近似化,建立群孔长期换热有限长体热源模型。分析表明,对于群管矩形布置,立方体热源模型较为精确;对于梅花形布置,圆柱体热源模型较为精确。该模型计算结果精确、过程简洁,可以在工程实际中采用。
　　 最后,针对地源热泵动态负荷下的传热,建立基于杜哈梅积分的动态负荷解析模型,在动态负荷函数关系已知的情况下,本文模型计算结果精确、简洁,便于实际应用。通过分析证明,群孔长期换热问题中,钻孔深度中点处温升与沿深度的积分温升存在较大差别,建议选用沿深度的积分温升作为代表性温升。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文说明:主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 地源热泵发展的历史[5,6]

1.2.2 地热热泵的主要分类

1.2.3 热量在土壤中的传递机理研究[7]

1.2.4 地源热泵U型埋管钻孔外传热理论的研究进展

1.3 本文的研究内容

2 单孔有限长圆柱面、圆柱体热源模型

2.1 格林函数法求解微分方程

2.1.1 导热微分方程的建立

2.1.2 格林函数法求解热传导微分方程

2.2 无渗流下单孔有限长圆柱面、圆柱体热源模型

2.2.1 模型推导

2.2.2 模型验证

2.2.3 模型影响因素分析

2.2.4 有限长面、体热源模型与有限长线热源模型的误差分析

2.3 有渗流下单孔有限长线热源模型

2.3.1 模型推导

2.3.2 模型验证

2.3.3 模型影响因素分析

2.3.4 模型意义

2.4 本章小结

3 群孔长期换热有限长体热源模型

3.1 模型建立的意义

3.1.1 热堆积现象

3.1.2 现有群孔叠加法的弊端

3.2 群孔体热源模型的推导

3.2.1 有限长圆柱体热源模型的性质

3.2.2 群孔体热源模型的建立

3.3 群孔体热源模型的验证

3.4 群孔体热源模型的误差分析

3.5 本章小结

4 动态负荷的传热模型

4.1 研究动态负荷传热模型的意义

4.2 动态负荷模型

4.3 模型验证

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录 误差函数efc(x)与余误差函数erfc(x)

作者简历