基于热泵系统的地热交换分析

摘要

随着地源热泵系统在我国的运用，地源热泵的工作机理得到越来越多的关注。我国高校与科研机构及生产单位对地源热泵的传热机理进行了广泛的研究，尤其是在定性研究方面，取得了深入进展。本文从定量研究的目标出发，对传热模型进行了进一步探讨，并对影响传热的各种因素进行了数值分析，同时验证讨论了不考虑地下水迁移的传热模型。在此基础上，对地源热泵系统相关的各因素的确定进行了详尽的探讨，并且阐述了地源热泵设计的一般过程。 本文所在课题组，为一座600平方米的独栋别墅开发了一套完整的地源热泵供暖系统。针对这套系统，文中讨论了建立数学模型的一些基本假设，几种典型的解决土壤内部温度分布的数学模型，例如线热源、圆柱形热源、U型管模型等数学模型，对比了它们各自的优缺点，给出了几种类型对应的结构图。介绍了有限元基本原理，有限元分析软件的基本信息，阐述了有限元分析软件MARC的一些基本功能，而后通过建立物理模型，网格划分，边界条件约束，初始化，加载载荷，过程运算和结果后处理等过程。利用传热模型模拟了埋管内流体及周围土壤在不同深度和不同工况下的温度场，用大型有限元软件MARC软件计算了等温线图，从图中可以直观的看出埋管周围土壤的温度分布以及热作用半径的变化规律。 地源热泵在我国是一个新兴的科学研究领域，节能、环保、美化环境，有着广阔的发展前景，存在着广阔的空间值得我们进一步的研究和试验。本文所提供理论模型与数值计算的方法，将为地源热泵工程和进一步研究提供理论依据和参考作用。

目录

文摘

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1绪论

1.1课题研究背景

1.2国外热泵技术的发展和现状

1.3国内热泵技术的发展和现状

1.4地源热泵系统原理与分类

1.4.1地源热泵的基本结构及其原理

1.4.2地源热泵的分类

1.4.3地源热泵的特点

1.5本课题所做的工作

2地下传热过程数学分析模型

2.1土壤特性描述

2.1.1土壤温度变化的一般状况

2.1.2土壤物理参数

2.2数学模型建立

2.2.1模型建立的假设条件

2.2.2线热源型换热计算模型

2.2.3圆柱形模型

2.2.4套管式换热计算模型

2.2.5 U型管换热模型

2.2.6本文的模型方法

3模拟计算及其分析

3.1有限元法应用原理

3.1.1单元分析

3.1.2单元的总体合成

3.2有限元软件MARC的热传导分析

3.2.1理论概要

3.2.2自动步长控制

3.2.3选项的使用方法

3.3地源换热系统的有限元分析

3.3.1地源换热系统热负荷

3.3.2实际热作用半径的计算结果

3.3.3计算机仿真模型的建立

3.4模拟结果及其分析

3.4.1单U管模拟分析

3.4.2等效管模拟分析

3.4.3双U管模拟分析

3.4.4模拟分析小结

3.5双U管土壤温度场的讨论

4 U型管地下换热器传热模型的实验验证

4.1试验装置和环境

4.1.1室外设计

4.1.2实验环境

4.2基本参数的确定

4.3验证结果

4.4系统热短路分析

4.4.1热短路的概念

4.4.2热短路的影响因素

4.5回填土材料的影响

4.6土壤、回填材料以及管壁热导率的确定

4.7小结

5结论与展望

5.1主要的研究结论

5.2有待进一步开展的工作

参考文献

附录A上苑公寓2006年12月11日热泵机组运行数据记录

附录B乙二醇防冻液的特性

附录C地下土壤测温记录数据

在学研究成果

致谢