地源热泵地下传热强化与控制模式的研究

论文摘要

地源热泵是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵节能技术。其利用土壤作为冷热源,通过地埋管换热器与土壤进行热量交换,进而由热泵对建筑物进行供冷和供暖,它实现的只是一种单纯的能量“搬运”过程,并具有可再生、适用范围广、经济环保等优点。地下埋管换热器的传热性能是影响地源热泵系统能效的一个重要因素。本文通过改变回填材料减小钻孔内热阻和控制热泵运行模式延迟土壤温升来强化埋管换热器的传热,提高系统运行效率。地埋管换热器周围土壤温度场的分布,因其能直观的反映埋管换热器的换热特性,对研究地埋管传热过程有重要的意义。本文以单U型地埋管换热器周围土壤温度场为主要研究内容,建立了U型埋管换热器周围温度场的二维非稳态传热模型,利用有限容积法对数学模型进行离散,并采用MATLAB计算软件对其进行数值模拟。将模拟值与实验进行比较,结果表明：夏季工况下换热器周围土壤温度场的分布情况,模拟结果与实验数据吻合,也验证了所建模型的正确性。利用相似理论搭建模型试验台,通过对地下埋管换热器换热性能的实验测试,分析了回填材料导热系数、热泵系统不同运行模式以及不同进口温度对地下埋管换热器周围土壤温度场及换热性能的影响。结果表明：在同等运行条件下,选用导热性能好的回填材料能有效降低钻孔壁与地埋管之间的热阻,从而提高地埋管的换热能力。以单位井深换热量为评价标准,利用实验所测的数据定量比较了地源热泵机组间歇运行工况与连续运行工况的不同。实测结果表明：开停比为1：1和2：1间歇运行模式下的换热量比连续运行模式下分别高7%和18.8%,因此,通过合理地控制开停比能够使土壤温度得到较好的恢复,提高了地热能的利用率,有利于地下换热器的长期、有效运行。在相同流量的条件下,分别采用22℃、30℃和35℃的进水温度进行实验测试,当流体进水温度由22℃增加到35℃时,换热量由56.6W/m增加到66.4W/m,增幅为17.4%,这主要因为进水温度与U型埋管周围土壤的可利用温差较大,换热得以加强。因此,在夏季工况下采用较高的进水温度能有效的增大埋管换热器的换热量。本文研究目的旨在探讨地埋管换热器换热性能的影响因素及其强化换热措施,并为地源热泵系统的推广应用提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 地源热泵系统的特点及国内外研究应用现状
• 1.2.1 地源热泵系统的特点
• 1.2.2 地源热泵系统国外研究和应用现状
• 1.2.3 地源热泵系统国内研究和应用现状
• 1.3 地源热泵系统回填材料和运行模式的国内外研究现状
• 1.3.1 回填材料的国内外研究现状
• 1.3.2 系统运行模式的国内外研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 地埋管换热器换热性能影响因素分析
• 2.1 影响地埋管换热器换热性能的主要因素
• 2.2 增强地埋管换热器换热性能的主要措施
• 2.3 本文强化埋管换热器换热性能采用的方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 地下埋管换热器传热模型的理论分析
• 3.1 传热模型的理论基础
• 3.2 几种常用垂直埋管换热器传热模型
• 3.2.1 解析解模型
• 3.2.2 数值解模型
• 3.3 垂直U型埋管换热器传热过程的分析
• 3.4 地下埋管换热器传热模型的建立
• 3.4.1 传热过程的简化假设
• 3.4.2 钻孔内的模型
• 3.4.3 钻孔外的模型
• 3.4.3.1 方程的离散化过程
• 3.4.3.2 边界条件的处理
• 3.4.3.3 代数方程组的迭代法
• 3.5 传热模型的数值计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 地下换热模型实验台的设计与搭建
• 4.1 模型试验台的设计依据
• 4.1.1 相似理论的基本原理
• 4.1.2 模拟相似的相似准则
• 4.1.3 相似理论在传热学实验研究中的应用
• 4.2 模型试验台简介及设备选择
• 4.2.1 模型试验台简介
• 4.2.2 试验台所用仪器与设备
• 4.3 回填材料导热系数的测定
• 4.3.1 回填材料导热系数测定原理
• 4.3.2 回填材料导热系数的测定数据
• 4.4 热电偶的制作和零点标定
• 4.4.1 热电偶的制作
• 4.4.2 热电偶的零点标定
• 4.5 试验台温度测点的布置
• 4.6 传热模型的验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 实验数据整理分析
• 5.1 实验数据处理及误差分析
• 5.1.1 实验数据处理方法
• 5.1.2 实验设备误差分析
• 5.2 回填材料导热性能对U型埋管换热性能的影响
• 5.2.1 回填材料导热性能对进出水温的影响
• 5.2.2 回填材料导热性能对埋管换热器周围土壤温度场的影响
• 5.3 不同运行模式对U型埋管换热性能的影响
• 5.3.1 不同运行模式对埋管换热器周围土壤温度场的影响
• 5.3.2 不同运行模式对单位管长换热量的影响
• 5.4 进口水温对U型埋管换热性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文