增强地埋管换热器传热性能的研究

论文摘要

随着经济的发展以及人们环保意识的提高,走可持续发展的道路已成了全球性的重要发展战略。具有环保、节能等特点的地源热泵空调系统也愈来愈受到人们的重视。地源热泵空调系统通过利用大地中的大量低品位热能来实现对建筑物的供热制冷。它与传统空调系统的最大区别就在于其地埋管换热器,而增强地埋管换热器的传热对于合理设计地埋管换热器大小,保证系统高效运行以及节省初投资和运行费都具有重大意义。本文通过理论分析及实验研究对地源热泵空调系统如何增强地埋管换热器的传热进行了较详细的分析与讨论。首先分析了影响地埋管换热器传热的各种因素,并指出采用倾斜埋管布置形式、优化回填材料性能、适当增大钻孔间距以及选择凝固点较低的循环液有利于减小钻孔长度,从而节省地埋管热换热器的初投资。其次,针对倾斜埋管布置形式的地埋管换热器,在有限长线热源和半无限大介质的假定下,采用虚拟热源法和线性叠加原理,导出了倾斜有限长线热源产生的三维稳态及非稳态温度分布的解析解,并揭示了各参数对该传热过程的影响规律。讨论了钻孔壁上的温度场分布情况,对钻孔中截面上代表性点的温度和钻孔全长积分平均温度进行了计算和分析对比,进而给出了可供实际工程应用的简化计算式。分析了多个倾斜钻孔周围的稳态温度场,对多个倾斜钻孔叠加引起的稳态钻孔壁温升进行了分析,并将其与相应的竖直钻孔相比较,指出倾斜钻孔的地埋管换热器钻孔相互之间的热干扰比竖直埋管的要小得多。最后,通过实验对基于水泥、石英砂的回填材料进行了配比优化选择研究。采用国际上比较先进的瞬态平面热源技术研究了各组份对水泥砂浆回填材料导热系数的影响规律,并对其工作性、膨胀性等性能进行了研究,开发出了适合国情的具有良好特性的水泥砂浆回填材料,饱和状态下其导热系数达2.1 W/(m.K)以上。理论计算表明,与采用传统的膨润土回填材料相比,采用这种新型回填材料可较显著地节省地埋管换热器钻孔埋管长度;特别是对于在坚硬岩石的地层中设置的地埋管换热器,采用高性能回填材料具有明显的降低地埋管换热器的长度及其初投资的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 地源热泵简介
• 1.1.1 热泵原理
• 1.1.2 地源热泵原理
• 1.2 地源热泵空调系统研究的意义及应用前景
• 1.3 国内外研究现状及水平
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第2章 影响地埋管换热器传热的因素
• 2.1 地埋管换热器的布置形式
• 2.1.1 水平埋管和竖直埋管的形式
• 2.1.2 串联方式和并联方式
• 2.2 影响地埋管换热器传热的因素分析
• 2.2.1 工程概况
• 2.2.2 方案比较设计
• 2.2.3 方案比较
• 2.3 本章主要结论
• 第3章 地埋管换热器倾斜埋管的温度场分析
• 3.1 地埋管换热器单个倾斜钻孔周围的稳态温度场
• 3.1.1 单个倾斜钻孔周围稳态温度场的数学模型
• 3.1.2 钻孔壁的代表性温度
• 3.2 多个倾斜钻孔周围的稳态温度场分析
• 3.2.1 双倾斜钻孔周围的稳态温度场分析
• 3.2.2 四个倾斜钻孔周围的稳态温度场分析
• 3.2.3 六个倾斜钻孔周围的稳态温度场分析
• 3.3 单个倾斜钻孔周围的非稳态温度场
• 3.3.1 地埋管换热器倾斜钻孔周围的非稳态温度场的一般形式
• 3.3.2 地埋管换热器倾斜钻孔周围的非稳态温度场的简化形式
• 3.3.3 沿钻孔深度方向的孔壁积分平均非稳态温度
• 3.4 本章主要结论
• 第4章 地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究
• 4.1 地埋管换热器钻孔回填材料的主要特性分析
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 试件制备及性能测试方法
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 水灰比对水泥砂浆回填材料性能的影响
• 4.3.2 粉煤灰掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响
• 4.3.3 砂灰比对水泥砂浆回填材料性能的影响
• 4.3.4 膨胀剂掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响
• 4.3.5 减水剂掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响
• 4.3.6 水灰比对纯水泥回填材料性能的影响
• 4.4 回填材料导热系数对地埋管换热器设计长度的影响
• 4.5 本章主要结论
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表