单U、双U型埋管换热器传热特征及经济性对比研究

论文摘要

随着世界人口和经济的迅速增长,能源紧张和环境恶化逐渐成为全世界需要面临的重大问题。地埋管地源热泵空调系统有可持续、高效节能、环保、经济性等优点,具有较大的优越性,受到人们的广泛关注。本文结合具体地源热泵系统工程实例,对单U、双U型埋管换热器的传热特征及系统经济性进行了分析、比较研究。考虑单组钻孔的条件下,对两种不同形式的埋管换热器进行传热特征对比研究,分析两种埋管形式下回填材料、埋管换热器流体进口温度、钻孔半径、流体质量流量、钻孔深度、埋管管径以及土壤热物性参数对其传热特征的影响,并重点研究二者之间的差别。结合某具体地源热泵工程实例,考虑管群之间的相互热影响,根据钻孔的布置情况,对管群条件下地埋管换热器的换热性能进行研究。分析了钻孔周围的温度影响范围和管群布置形式对埋管换热器的影响,并对换热器管群的布置形式进行优化。在前面的基础上,提出逐时负荷下埋管换热器的温度响应模型以及地源热泵机组计算用数学模型,并以建筑的全年逐时负荷作为输入参数,将两模型与地埋管换热器模型进行耦合,分别模拟单U、双U两种不同埋管换热器在逐时负荷下的换热,比较了逐时负荷下换热器的进出口温度、单位井深换热量、钻孔壁温度以及热泵机组运行的COP值随时间的变化情况。针对该地源热泵工程,对机房控制系统进行了介绍,提出水泵的模糊控制原理及变频调速技术,分析整个系统的投资构成情况,建立经济性分析模型。就单U和双U各种埋管方案分别进行换热器以及热泵机组全年逐时负荷下运行情况的模拟,根据机组运行效率和建筑全年负荷计算出热泵机组全年的运行费用,对各方案进行了经济性比较,并对埋管方案进行优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 地源热泵的特征与分类
• 1.2.1 地源热泵的分类
• 1.2.2 地源热泵的特征
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究概述
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 问题的提出
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第2章 单组钻孔条件下的传热特征对比研究
• 2.1 传热模型
• 2.1.1 单U 埋管换热器孔内传热模型
• 2.1.2 双U 埋管换热器孔内传热模型
• 2.1.3 孔外传热模型
• 2.2 计算方法
• 2.3 计算结果分析
• 2.3.1 回填材料导热系数对地埋管换热性能的影响
• 2.3.2 流体进口温度对地埋管换热性能的影响
• 2.3.3 钻孔半径及孔内管间距对地埋管换热性能的影响
• 2.3.4 质量流量对地埋管换热性能的影响
• 2.3.5 钻孔深度对地埋管换热性能的影响
• 2.3.6 埋管管径对地埋管换热性能的影响
• 2.3.7 土壤热物性参数对地埋管换热性能的影响
• 2.4 结论
• 第3章 管群条件下的传热特征研究
• 3.1 管群传热理论分析
• 3.1.1 管群传热模型
• 3.1.2 传热模型的简化
• 3.2 管群传热实例分析
• 3.2.1 计算参数选择
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 管群布置形式的优化
• 3.4 本章小结
• 第4章 逐时负荷下的传热特征研究
• 4.1 数学模型
• 4.1.1 换热器数学模型
• 4.1.2 逐时负荷下的温度响应模型
• 4.1.3 地源热泵机组模型
• 4.2 全年逐时负荷计算
• 4.2.1 建筑模型的建立
• 4.2.2 模拟结果分析
• 4.3 计算方法
• 4.4 计算结果及其分析
• 4.4.1 机组运行效率分析
• 4.4.2 地埋管进出口温度分析
• 4.4.3 钻孔壁温度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 埋管换热器的经济性研究及其优化
• 5.1 系统投资构成
• 5.1.1 换热器初投资费
• 5.1.2 热泵机组运行费
• 5.1.3 水泵运行费用
• 5.1.4 维护费用
• 5.1.5 经济性分析数学模型
• 5.2 热泵机房控制系统
• 5.2.1 机房控制系统简介
• 5.2.2 水泵运行的模糊控制策略
• 5.3 不同设计方案模拟
• 5.4 经济性比较及换热器优化
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间学术成果目录
• 致谢