土壤耦合热泵地下埋管换热器温度场实验研究

论文摘要

土壤源热泵空调系统是一种高效、节能、有利于可持续发展的绿色空调方式,是最有前途的节能装置和空调系统之一,也是国际空调和制冷行业的前沿课题之一。地下埋管换热器是土壤源热泵技术的研究关键,而现有的地下埋管换热器计算模型都是基于单一的热传导理论以及确定的岩土导热系数和容积热容基础上的,没有考虑地下水渗流的影响,从理论研究和实际工程来看地下水渗流会对土壤源热泵运行特性有较大的影响,从而使土壤源热泵的经济性受到挑战。本文以达西定律为基础,建立了砂箱实验台,采用电加热器充当线热源,通过实验设备调节出不同的热负荷、不同的地下水温度、地下水渗流速度等条件,模拟出地下埋管在不同的地域工作时的实际情况,从而揭示地下埋管换热器在有地下水渗流的情况下周围温度场的响应,分析得出影响其传热的各种因素。本课题实验从2007年10月6日开始进行,总共测试了40多种工况,包括:实验前期的土壤物性测试、未饱和土壤温度场测试、饱和土壤温度场测试、有渗流情况下的土壤温度场测试。实验开始前进行了实验的误差分析,得出整个实验台的误差为[-2.39%,2.41%] （ P = 99.73%）,满足实验精度要求,说明得到的实验数据是可信的。通过对实验数据的分析处理,得出土壤的热物性如导热系数、比热、密度、含水率等对换热器的传热性能影响很大,而地下水渗流的存在有利于地下埋管换热器的长期运行,且其影响随着渗流速度的大小而变化。而本实验中的数据也为工程实践提供基础数据储备。该课题为国家自然科学基金项目“土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的应用基础研究”（50378024）的一部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外关于土壤源热泵研究的现状及分析
• 1.2.1 国外土壤源热泵研究现状
• 1.2.2 国内土壤源热泵研究现状
• 1.2.3 国内外关于埋管换热器的研究现状
• 1.3 本课题的主要任务和研究意义
• 1.3.1 研究任务
• 1.3.2 研究意义
• 第2章 实验台设计原理及其简介
• 2.1 实验的理论基础
• 2.2 实验台主要设备及其简介
• 2.2.1 模拟的地下水温度变化的实现
• 2.2.2 砂箱系统
• 2.2.3 测温装置
• 2.2.4 既定实验条件的实现
• 2.2.5 其它实验仪器简介
• 2.3 本章小结
• 第3章 实验前期工作
• 3.1 土壤热物性测试
• 3.1.1 土壤的天然密度
• 3.1.2 土的天然含水量
• 3.1.3 土壤的导热系数
• 3.1.4 定压比热
• 3.2 实验砂箱进口水温的确定
• 3.3 渗流速度的确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验的操作过程及其误差分析
• 4.1 实验的操作过程
• 4.1.1 实验内容
• 4.1.2 具体的操作步骤
• 4.2 实验的误差分析
• 4.2.1 误差的基本知识
• 4.2.2 直接测量的误差分析
• 4.2.3 间接测量的误差传递
• 4.2.4 系统误差
• 4.2.5 整个实验装置的误差合成
• 4.3 实验数据处理的基本方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果分析
• 5.1 中心测点温度变化分析
• 5.2 周边温度测点温度变化测试
• 5.3 未饱和土壤温度场的实验分析
• 5.4 饱和土壤温度场的实验分析
• 5.5 相同进水温度和渗流速度，不同热负荷下土壤温度场分析
• 5.6 相同进水温度和热负荷，不同渗流速度下土壤温度场分析
• 5.7 相同热负荷和渗流速度，不同进口水温下土壤温度场分析
• 5.8 恢复时间内的温度场分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 理论分析结果与实验结果对比
• 6.1 地下水流动影响的判别条件
• 6.2 能量方程
• 6.3 移动热源问题
• 6.4 无限长线热源在均匀渗流中的温度场
• 6.5 结果及分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢