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1、沈阳工业大学本科生毕业论文第1章 引言1.1 研究背景1.1.1 热泵技术及地源热泵系统随着能源危机的加剧，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力发展清洁的可再生能源，这要求人们必须对于社会能源消耗情况要有清楚的认识。地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。地源热泵系统作为热源对建筑物进行供热和空调,与空气热源相比,有
2、全年温度波动小、数值相对稳定等优点,具有良好的节能与环境效益,近年来在国内得到了广泛应用。地埋管地源热泵系统是利用2O0m以内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采用地埋管换热器(geothermal heat exchanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优点,有着广阔的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。本文重点介绍地源热泵系统。地源热泵系统包括一室内部分和两部分组成的室内部分包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统的腔室外部;地埋管换热器部分的室外部分（见图1.1）。图1.1 地源热泵流程示意图1.1.2
3、 地源热泵系统的优点1、高效节能，稳定可靠地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%60%，因此要节能和节省运行费用40%50%左右。2、使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。3、节省空间没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。4、实现了水资源的循环利用地源热泵热源的形式多样化，无论是干净清澈的地下水，资源量大
4、而无法高效利用的海水，还是生活和工业生产废水，抑或者地表水，都可以高效的加以利用，实现太阳能量的转移，实现可持续绿色环保的发展战略。1.2 地埋管换热器研究的国内外现状 1.2.1 国外现状20世纪20年代以来,随着能源危机和环境问题的出现并且日益严重,土壤源热原系统因节能、节水而普遍受到欧美各国等的关注,地源热泵的研究进人了高潮。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中在新建筑里面占30%;据1999年的统计,欧洲的一些国家在家用的供热装置中地源热泵所占比例如下:瑞土为96%、奥地利为38%、丹麦为27%。1912 年，瑞士人 H.Yellowly1首次提出了利用土
5、壤作为热泵系统热源的设想，随后申请了专利。50年代初，美国，英国开始使用地热盘管做家用泵，并开始研究土壤耦合热泵。土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有：1947 年英国电气研究协会开始研究地下埋管热泵。1948 年 Inkslinger 和 Glass 2根据 Kelvin 线性源理论提出了地下埋管换热器的线性源理论3。 1953 年，美国电力协会认为这个时期的试验还没有提供出可供使用的设计方法。 由于这个时期的能源价格低，土壤源热泵系统的初投资高，使得这种系统并不经济。此外，土壤源热泵系统因其计算复杂、土壤对金属的腐蚀等原因，使得对该系统的早期研究高潮。在图 1.2 中，给出了 19832
6、007 年期间美国地源热泵系统每年的安装数量曲线4。 图1.2 19832007 年美国地源热泵年安装数量5截至 2009 年，美国在运行的地源热泵系统约为 100 万套，地源热泵系统年消耗一次能源约为 7.47106kWh，为 1990 年的 5 倍6。 20世纪50年代，美国，英国开始使用地源热泵线圈做家，并开始研究土壤耦合热泵。土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有： 图1.3 欧洲部分国家地源热泵安装数量5从图 1.3 得出，德国、英国、奥地利的地源热泵体系建立的比较多。从发展速度，瑞典，每地源热泵系统的全年安装约40,000台，居欧洲之首。除了瑞典，市场的增长在德国，法国，芬兰，瑞士
7、，奥地利，挪威，很快，在2006年，增长率为45，奥地利市场，德国市场120的增长速度。2008 年，欧洲整体装机量约为 13.5 万19 万台。研究的具体内容可以归结为地下埋管换热器内钻孔内的热阻和土壤导热系数的求解等两方面，主要代表有7： 1987 年，Bennet et al.采用多级法得到了钻孔内热阻的表达式。该表达式分两部分，第一部分其实为线源公式，第二部分为线源公式的一阶修正。该结果应用在了 EED 设计软件以及 GLHEPRO4.0 上。 1991 年，Hellstrom 得到了钻孔内热阻的另一解析解，该公式被称为线源公式。这一方法应用在了 DST 项目上。 1996 年，Pau
8、l 通过实验测试的结果，得出了地埋管换热器钻孔内热阻的表达式，该表达式囊括了钻孔内地埋管的三种典型布置情况。2009 年，Harshaw et al.通过建立地埋管换热器的二维数值模型，模拟得到了典型情况下地埋管换热器钻孔内的热阻，并通过拟合得到了热阻的表达式。 2010 年，Richard A. Bevier 在 Marcola 和 Pasquinade 提出 P 线性表达式的基础上，得到了新的钻孔内热阻解析解，该结果适用于热响应测试后期，计算地埋管换热器埋管内流体温度的沿程分布。 1.2.1 国内现状我国近地表资源比较多，在未来的日子里,中国面临着巨大的能源和环保压力,中国的经济要保持较高
9、速度的增长同时又必须考虑环保和可持续发展问题。与此同时,科技部委托的中国企业公司正酝酿将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场,这将促进我国地源热泵技术的市场化产业化的发展,并使我国地源热泵的钻探建设尽快跟上国外潮流,所以我们有理由相信,在充裕研习借鉴国际先进技术和运转经验的基础上,在各个政府的有力帮助下,科技界和企业手中，依靠自己的力量完全有能力在短时间内发展。1.3 本文研究内容及其意义1.3.1 研究内容 U形垂直地埋管换热器管的主要应用形式，垂直接地热管换热器与周围土壤之间的热传递分析是非常复杂的,除了地埋管换热器的构造和几何配置外,还有许多因素影响地埋管换热器的性能,比如土壤初始温度分
10、布、土壤湿度程度、土壤热物性、地下水流动、土壤可能的冻融等。此外,地埋管换热器负荷的变化不平衡因子和每年的加热和冷却负荷，也有对其传热性能的重要影响。本文将重点放在U形垂直地源热泵系统来研究，改进和完善地下传热模型的地热管传热机理,并与己有的传热模型进行比较,进而确定竖直U型埋管较为准确的模型,并在此基础上提出地热换热器新的计算方法,为地热换热器的设计提供准确、快速的计算方法。1.3.2 理论意义和应用价值地源热泵技术在中国的应用在短时间内投资，缺乏成熟的设计与施工技术的经验和能力可变地址的气候条件和建筑空调系统，地源热泵系统的理论探讨和技术应用远远没有完成。（1）理论意义以热阻为基础的设计计
11、算多采用半经验公式方法,但近来精确解析解的分析方法在设计中应用越来越广泛,该方法在有限长线热源模型应用最为广泛,并且形成了较成熟的g一函数方法。该方法克服了半经验方法的计算粗糙、考虑因素过少的缺点,同时也解决了数值方法计算模拟时间过长、难以直接应用工程实践的问题。（2）应用价值地埋管换热器设计是不是适合关系着地源热泵体系利用的经济性和运转的可靠性。合理的设计能够保持地源热泵良好的运行状态,减少地埋管换热器安装初始成本和整个系统生命周期的运行成本。因此,创建较为正确的地下传热模型是合理规划地埋管换热器的重点。因为地下传热的多变性,地埋管换热器的传热模型钻探是地源热泵体系的重点,同时亦是地源热泵技
12、术的焦点和应用核心。 由于地源热泵本身的节能环保优势以及对我国气候条件的适应性,地源热泵的市场发展具有广阔的空间。must strictly enforce the hot examination and approval system, holidays, hot work approval to be upgraded. (2) the fire operation, guardian and extinguishing equipment in place. (3) key parts person regulation: welding site: track guardian, da
13、ngerous goods, warehouse: warehouse workers, dormitory: 1, the implementation of points of dormitory culture construction: construction, environmental health into the construction organization design, developed and civilized construction requirements, no rough construction, projects in accordance wi
14、th the construction programme of the Department organize the implementation, followed by the project leader, the company . Education or punishment. 1, corrective and preventative measures corrective measures: (1) by the project security officer in identifying causes, in the context of findings make
15、recommendations for corrective and preventive actions. (2) under the present proposal, formulated by the security staff corrective measures, for examination and approval. (3) safety officers monitor the implementation of corrective measures, record the corrective measures process. 2, preventive meas
16、ures: (1) normal operation safety ensuring system integrity and is fundamental to prevention. (2) implementing a comprehensive, standardized management processes, staff, education workers and enhance awareness of self protection,29第二章 钻孔外的传热模型在处理单孔传热问题上时,一个重要的分析模型就是以钻孔壁为界,把所涉及的空间区域划分为钻孔外的岩土部分和钻孔内两部分
17、,选用不一样的简化假定来进行分析。钻孔外传热必须考虑岩土的蓄热和放热,采用非稳态的传热模型进行分析研究。由于U型管深度(40-2OOm)都远大于钻孔的直径(0.-0.15m),因此钻孔中的埋管都被看成一个线热源或线热汇,如图2.1示。岩土均匀的热性能，并且不随温度而变化的基础上，该项目可以更加关注井壁温度不同代表任何分析。温差钻孔壁温度和钻头之间的电阻引起的，可以得到的管循环流体的进出口温度随时间的变化。图2.1 U型埋管与简化模型示意图2.1 无线长线热源模型地下管线被广泛应用于传热模型LS1开尔文线源模型，设计大部分地源热泵系统作为基础理论的无限源泉。 1991 GSHPALV模型方法是标
18、准的北美模型，以确定地下管换热面积。该模型是无限长的线热源作为钻孔，地下岩石为半无限介质，忽略钻孔深度的影响，所以一维热模型。传热过程中简化条件如下:l)地下土壤温度均匀;2)地下土壤热物性是平均的,且不随温度的转变而转变,具备常物性;3）忽略井孔的几何形状和热容量，和钻井约无限线源；据无限线源模型，从一开始线源与热源周围土壤释放（或吸收）恒热负荷时，热传导方程为： （2.1）其中,r为钻孔半径,;b为钻孔壁半径,a为土壤热扩散率,ks为土壤导热系数,q口为单位钻孔深度上的热流密度,T0为土壤初始温度。其土壤无量纲温度分布为8: （2.2）从图2.2中可以看出,G一函数与对数时间成线性关系。说
19、明了当时间趋于无限长时,介质温度场一直增加,不会趋于稳定。圆柱面热源模型假定钻孔为无限长圆柱,土壤为无限大介质,其钻孔周围土壤温度分布式为: （2.3）图2.2 无限长线热源模型G-函数2.2 有限长线热源模型2.2.1 数学模型有限长热源模型首先由Eskilstuna19提出来的,Maelstrom18,Spitz,Zeno,Lamaistic等对有限长线热源模型的理论创新和工程应用作出了重要的贡献。有限线源模型的地面为界，地球作为一个半无限介质; 考虑轴向传热，埋管钻井作为一个有限源的半无限介质中，合理的解决方案决了地埋管换热器长期传热的问题。竖直埋管钻孔外传热分析的有限长线热源模型假定如
20、下:l)土壤为半无限大均匀介质,在整个传热过程中土壤保持均匀热物性并具有不变性;2)不计地表温度上下浮动和埋管深度对土壤温度的影响,当做土壤温度均匀一样,地表温度等于大地开始温度;边界初始条件: （2.4）其中,H为钻孔深度2.2.2 g-函数方法Eskilstuna提出运用叠加原理的方法来求解该问题是要计算单孔，第一步热通量（即恒热流一定时间）在根据温度响应的效果的壁钻孔，一些打孔的响应于不同负载的温度响应由一个单一的钻孔温度叠加步骤的热的作用下得到。其单个钻孔在阶跃热流作用下的钻孔壁温度响应为9:其单个钻孔在阶跃热流作用下的钻孔壁温度响应为:后由Hellbroths和spiller相继发展
21、和应用这种方法,并形成了地源热泵地埋管换热器设计软件EEDI和Holeproof17。但Eskimoan克数值求解不同结构形式克钻一个函数获取函数必须事先计算的函数g数据库如GLHEPRO数据库的形成包含307克中的钻孔结构函数的形式，所以在工程应用程序有一些钻孔结构可以设计计算，缺乏弹性，具有一定的局限性,如图2.3所示。 在周围的阶跃瞬态温度响应的土壤其单埋管换热效果是：（2.6）其中，图2.3 虚拟热源法原理示意图在此基础上他们还得出稳态温度场的解析表达式10,其无量纲形式为:（2.7）一般来说,地下埋管换热器地下土壤温度场达到稳态一般需要至少20一40年,考虑稳态时间以及负荷的变化性,
22、在地下埋管换热器设计中一般不采用稳态温度场解析解来进行设计计算。 函数g中的任意深度步骤瞬态温度响应的作用下单个钻孔的热流是：（2.8）2.2.3 钻孔壁平均温度及其g一函数（1）钻孔壁中点温度及其g一函数与孔壁温的孔壁的中点温度代表很方便，但在定义似乎有点随意性。沿全部孔壁深度方位温度的积分平均值当做孔壁代表温度,这样在传热计算中更为合理,即: （2.9）则单孔平均温度的g一函数为: （2.10） Lamar-che和BeauchamPI6通过调换式(2.15)中积分次序并重新积分计算,得出了钻孔平温度的g一函数的新的一维积分形式。表达式如下: （2.11）式(2.16)提高了平均温度g一函
23、数的计算速度,可以方便的应用于工程设计计算中,并在多篇参考文献中11和应用。在本文中，采用不同的数学方法进行绘制新的孔中点的温度，平均温度是一个函数g的表达，这两者都是一维的积分形式，并具有运算速度快，使之更准确地钻孔GA的功能平均温度可以迅速应用到地埋管换热器的设计计算。2.3 有限长线热源的改进解法由方程(2.11)可以看出,单孔任意深度无量纲温度响应的g一函数在定义域(时间域)里连续光滑,故存在关于时间变量Fo的偏导数,然后对g一函数的偏导数进行积分计算,可得g-函数的另一种数学形式,进而计算出新的单孔和单孔钻孔壁中点和平均温度的g-函数。2.3.1 新的单孔钻孔壁中点温度的g一函数g一
24、函数关于时间变量Fo的偏导数为: （2.12）且存在g(Fo=0)=O,故可得任意深度的g一函数的新表达式: （2.13）由式(2.18)可得单孔中点（t=0.5)温度的g一函数:（2.14）2.3.2 新的单孔钻孔壁平均温度的g一函数对上式A、B、C三项进行积分计算,分别得出: （2.15）代入式(2.20),即得钻孔壁平均温度的g一函数关于Fo的偏导函数: （2.16）2.3.3 多孔钻孔壁中点和平均温度的g一函数我们使用Eskilstuna(1987)建议的“g一函数”方式即叠加原理来运算。当存在N个钻孔时,如图2.4所示。图2.4 平面布置的多钻孔地埋管换热器2.3.4 有限长与无限长
25、的线热源模型数学关系 同样，微分和积分方法，推导无限线热源模型新G函数形式得： （2.17）第三章 钻孔内的传热模型钻孔内传热分析的核心,是要在给定传热量的条件下确定钻孔内热阻,进而通过有钻孔外传热模型得到的钻孔壁温度确定流体介质进出口温度。因此准确的计算钻孔内热阻是钻孔内传热分析的关键。3.1 一维传热模型有两种方式，一组塑料埋地管的一个作为U形井工程中常见的垂直U型换热器的布局，称为单U形管，如3.la表示;另一种是嵌在两个U形塑料管钻，称为双U型管，作为3.lb表示。a)单U型埋管 b)双U型埋管图3.1 竖直U型埋管换热器示意图早期的钻孔内传热分析采用当量直径法(Bose 1955;G
26、u和ONeal 1998),其原理是钻孔内u型各支管假定为一根等效“当量管”,忽略钻孔轴向传热,相应的钻孔内传热简化为一维导热模型。一维模型得到钻孔内热阻为: (3.1)式中:为U型管内流体对流换热热阻,；为u型管壁的导热热阻,；为u型管外壁到钻孔壁的导热热阻,。a)U型管实际结构示意图 b)当量管简化示意图图3.2 一维导热模型示意图3.2 二维传热模型对于实际的U形管结构，U形管截面的热传导率是二维的，Maelstrom U型钻杆假定对称设置的分支管中的孔中，并忽略流体传导和对流管轴向钻孔换热器，热的传热模型建立钻孔的二维横截面。设定单U型管的2根支管的单位长度的热流分别为q,和q3(w/
27、m),对应的流体温度分别为今支管之间中心距为ZD,如图3.3a所示。对单U管制冷工况模式下有: (3.2)对式(3.2)进行线性变换,得: (3.3)式中，在此二维模型中，没有考虑在沿着流体的深度方向的歧管中的变化，分支管进一步假设在同一热的温度,即其中q为单位长度钻孔总的热量。故可以简化为： (3.4)由此得到单U型埋管的二维传热钻孔内热阻: (3.5)图3.3 单双U形管和U形管的传热条件可得双U型埋管的二维传热钻孔内热阻的分析解: (3.6) (3.7)3.3 准三维传热模型3.3.1 数学模型和管内流体温度分布 衡量转型的轴向深度和实际条件下的对流换热流体温度，钻孔内部的轴向导热系数是
28、可以忽略的，建立在Hemelytron准三维稳态传热模型如下： (3.8) (3.9)方程(3.10)满足单U新埋管和双U型管并联布置的钻孔结构形式。双U型埋管串联布置见文献和教材13。上式由拉普拉斯变换得:(3.10)则可得流体出口无量纲温度: (3.11)双U型管平行排列，包括两种形式1 - 2 ,3-4和1-3,2-4。 1-2表示循环液流入支管从第1号，第3号流出来的支管34示出了另一个流体通道，其余的是类似的。对1-2,3-41形式的双U管,其无量纲热阻参数和分别为: (3.12) (3.13)对1一2,3一4形式的双U管,和分别为: (3.14) (3.15)范军14在准三维模型基
29、础上对“热短路”现象做过详细的讨论。在相同结构参数下,单U管出口无量纲温度比双U管的低,说明单U型管在土壤中温差变化快。本文将在后面分析中取1一3,2-41作为双U管并联布置的代表形式。（m)r(m)H(m)D(m)(m)（m)M(kg)C(kg)0.0550.0161000.031.51.0.0.24187图3.4 单U管和双U管内理论无量纲流体温度3.3.2 钻孔内热阻单U形地埋管换热器，假设钻井平台的平均深度热流Q，流体入口和Ti的出口温度。能量守恒定律是： (3.16) (3.17)式中,表示流体平均温度,一般情形下取管内流体进口温度和出口温度的算术平均值,即: (3.18)此单U管钻
30、孔热阻可表示为: (3.19)双U型管的平行排列，总井眼流体为ZM，钻孔热阻: (3.20) (3.21)对双U管,热阻表达式为: (3.22)第四章 地埋管换热器设计和模拟计算方法研究埋管换热器的模拟是埋管换热器的布置，埋管总长度和负荷条件下，井内流体温度随时间变化的计算，确定性能和地源热泵系统的能源消耗系数，进而对地源热泵进行经济效益分析。4.1 流体温度响应基本方程4.1.1 阶跃热流作用下流体温度响应第二章钻探使用的传热模型的概念，平均一个函数g，绘制一个井壁温度步热效应。其表达式为： (4.1)第三章钻孔相结合的传热模型，埋管换热组的概念，流体的温度的步骤，以得到的作用和钻孔壁温度与
31、热流的关系： (4.2)结合（4.1）中被合并和（4.2），加热流体的温度阶跃响应的作用下获得： (4.3) 可以确定单双U型管中的流体热流一步统一表达的出口温度： (4.4) 等式（4.3）和（4.4）可被用来计算一个单一钻井流体的温度，本文应用通用公式（4.3）进行了计算。4.1.2 变负荷作用下流体温度响应地源热泵运行实际热流量不是恒定的，而是沿袭了建筑物的负荷变化。因此，当用可变负荷的问题处理，引入的矩形脉冲热的概念。热可以用在一个连续的矩形脉冲热流系列(i=l,2,)近似，和，如图4.1所示。图4.1 用脉冲热流近似连续变化的热流由公式(4.1)已知地埋管换热器的单个钻孔壁在阶跃热流
32、作用下的温度响应,利用g一函数方法即叠加原理可以得到单个钻孔壁在变负荷作用时刻的温度14: (4.5)公式（4.5）计算任何单一钻孔地埋管换热器壁面温度响应负载的变化。因此，可以在一台可变负载任何一匹马钻井液温度响应时间的作用下得到：对于多个钻孔的情况,其某一钻孔的流体温度响应采用多钻孔平均g一函数(见公式2.25)代入公式(4.6)即可算出: (4.6)4.1.3 流体温度响应计算方法目前,逐时计算方法在地源热泵系统中应用越来越广泛。逐时计算即采用时间步长:为1小时进行地源热泵系统的设计和模拟计算,是地源热泵系统设计和分析的重要组成部分。目前流体温度响应大部分的快速算法都是以圆柱/线热源模型
33、(G/g一函数)为基础的“集合负荷算法”(aggregate。Algorithmically)。介Turku和spitcher16提出了“最小历史时“的方法。BemierI371在此基础上提出了“多负荷集合算法”15(multigenerational),其中历史负荷分别进行逐年平均、逐月平均和逐日平均计算。4.2 流体温度响应新计算方法4.2.1 流体温度响应新方程如图4.2所示。由此可以直接得到任一作用时间在之间的矩形脉冲热流作用下的几时刻单个钻孔壁温度响应:a)矩形脉冲热流 b)阶跃脉冲热流 c)阶跃脉冲热流图4.2使用两步热通量叠加得到矩形脉冲热流 定义的时间间隔脉冲井壁无量纲温度热响
34、应功能的影响 - F函数：(4.7) 特别是，负荷的不断变化，流体响应于所述温度：以新的流体温度响应是卷积方程的形式相同的方程，用基本方程相比，主要区别在于一个函数下的热效应F-脉冲热流，而不是步骤g的函数。4.2.2 部分负荷计算方法 新方程仍然是流体温度响应卷积形式叠加计算出F函数也需要重新计算，但F函数的积分间隔是固定的平均克积分间隔的函数。长期每小时计算，新的方程可以应用于改善计算速度，但计算仍然是费时图4.3表示为时间间隔t=lh,时间区间t=l年的Af-函数。图4.3 单钻孔f-函数从图4.3中可以看出,f-函数衰减很快,并且一段时间之后,f-函数迅速趋近,并计算知当时间t之100
35、0h时,f(t)。因此,在流体温度响应计算中,可忽略t100Oh的脉冲负荷的影响。因此,得到流体温度响应新计算方程: (4.8)选择时间t=1000(小时),当时间j1000时,公式(4.16)逐项叠加计算;而当时间t1000时,仅需对脉冲负荷作用下的温度响应叠加计算。其中温度响应关系式: (4.9)如可以从公式（4-20）可以看出，只要合理控制的一个函数h的准确性，我们可以精确地计算出的传热流体温度的响应时间每次计算方法的垂直换热器，从而消除了不计算一系列脉冲负载的温度响应的影响下采取行动，并且通过精度要求的函数h的可确定相应的部分负荷时间t，所以通过精确计算所施加的负载计算方法的一部分。公
36、式表明,h一函数为增函数;与f-函数相同,一段时间后,h-函数迅速趋近于0,如图4.4所示。图4.4 单钻孔h-函数 钻孔精度具有相同的多功能单h的钻井要求，需要计算出一个合适的部分负荷不同钻井时间n。本文主要考虑两个和四个钻井条件。对于两个钻孔间距流明，并且1年通过仿真，其负载时间t=3976h一部分;二十年的模拟，其加载时间t12672h的一部分;对于两个钻孔间距分米，和它的一些加载时间为T =3678h和t=12367h;四个钻孔间距流明，当升进行了模拟其部分负荷时间t=5616h。结 论目的是确定地下换热器是否经济合理和运行地源热泵系统应用的可靠性。合理的设计，以保持地源热泵在良好的工
37、作状态，地埋管换热器，以减少安装和运行的整个系统生命周期的初始投资成本的费用。因此，建立一个更为精确和准确的地下传热模型是设计地埋管换热器的焦点。由于地下热的复杂性，地埋管换热器传热模型是钻地源热泵系统，也是地源热泵技术，利用蒂的焦点的难度。通过热交换器管传热模型研究了，换热器，地源热泵系统，降低生命周期成本和推广有一定的作用的技术应用的设计和仿真得出更快速，准确的方法。通过本文的传热理论研究和计算方法研究,得出以下结论:1.发展了建立于系列解析解和重叠机理的地埋管换热器传热分析剖析。确立了地埋管换热器传热模型,求得了各部分传热过程的解析解,该解析解接近工程实际,具有很高的精度,可以直接应用于
38、地埋管换热器的设计和模拟计算中,具有较大的理论意义与应用价值。2.建立了有限长线热源模型的改进解洲并求得有限长线热源模型瞬态温度响应的新解析解形式。得到钻孔壁代表温度平均温度的一维积分解析式,该解析式计算快捷,可以直接应用于工程设计中,从而避免了采用中点温度为钻孔壁代表温度所造成的地埋管换热器长度设计偏大的问题。在此基础上运用叠加原理即g一函数方法分析多个钻孔(2和4钻孔)的传热问题。结论表明,对于工程常用的钻孔间距(3m-6m),不可忽略钻孔间的热流影响,不宜简化为单个钻孔计算。3.运用新的流体平均温度分析钻孔内热阻。采用准三维传热模型分析钻孔内一流体温度分布及热阻,并考虑流体平均温度对钻孔
39、内的热阻的影响;对单U型埋管,采用对数流体平均温度计算钻孔内热阻,对并联布置双U型埋管,采用几何流体平均温度计算钻孔内热阻,并分别与准三维模型采用的流体算术平均温度计算的单U管和双U管钻孔内热阻进行对比。4.随着理论研究，设计和仿真的结果，建立一个垂直埋管换热器。的地源热泵系统设计与仿真计算的重要组成部分每小时流体的温度响应。创建基于流体温度的新的反应方程，迅速建立通过计算加热脉冲的方法的基础上， - 计算部分负荷，即部分负荷只响应于温度叠加计算结果表明，该流体的温度在响应负载的变化。为了减少计算量时错误，定义的一部分。部分负荷负荷计算方法确定的时间相邻的一个重要组成部分，建立啊哈功能合理确定
40、负荷通过控制温度精度之间的脉冲响应函数h偏载时间之间的关系。由于研究时间的限制,本文课题还存在有待进一步研究和解决的问题:1.地埋管换热器传热模型的研究只考虑涉及地下水流对流换热情况下，纯粹的热传导问题的无代价;不考虑斜管的传热模型。上述情形均可利用线热源模型进行分析,因此,可用本文提出的改进解法的数学方法对其进行分析和处理,形成新的结论。2.本文模型主要是反映竖直埋管长期传热模型,对短时间内传热模型(小时以内)没有进行研究。3.在竖直埋管换热器模型的基础上,可以建立整个地源热泵系统模型,实现对整个地源热泵系统进行能耗模拟计算和经济效益分析;还可以研究地源热泵系统的动态特性,从而可进行地源热泵
41、系统控制调节的研究。这两方面是值得研究的重点。4.在上述理论研究成果的基础上,建立准确的地埋管换热器的设计和模拟计算方法。通过叠加脉冲热流温度响应得到流体温度响应新方程,并在此基础上确立快速的逐时计算方法部分负荷计算方法。应用该方法对竖直埋管换热器进行逐时模拟计算,并与全负荷计算方法进行比较。结果表明,针对三种不同结构钻孔的1年和20年逐时模拟,最大误差分别为1.8和2.4,该精度水平完全满足地埋管换热器的逐时模拟要求,表明部分负荷计算方法是合适的快速逐时计算方法。5.由于本文得到是传热问题的解析解,应用灵活。因此,在此理论基础上,可形成地源热泵系统设计和模拟的应用软件,从而为推广地源热泵技术
42、做出贡献。参考文献1 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术M.北京:高等教育出社,2006,57-582 刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器的准三维传热模型J.热能动力工程,2003,8 (4):6-113 曾和义,刁乃仁,方肇洪.竖直埋管地热换热器的稳态温度场分析J.山东建筑工程学院学报,2003,8(4):6-14 曾和义,方肇洪.双U型埋管地热换热器的传热模型J.山东建筑工程学院报,2003,9 (2):21-255 范军,刁乃仁,方肇洪.竖直U型埋管换热器两支管间热量回流的分析J.山东建筑工程学院报,2004,8(l):11-16 陈卫翠,崔萍,方肇洪.倾斜埋管地热换热器稳态温
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