豎直地埋管換熱器短時(shí)熱響應(yīng)建模及應(yīng)用研究.pdf

1、地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)豳Y源的新型空調(diào)系統(tǒng)，是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的可再生能源利用技術(shù)，具有綠色、節(jié)能、環(huán)保和可再生的優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來(lái)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)與地下巖土交換熱量的重要部件，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。地埋管換熱器的短時(shí)響應(yīng)傳熱分析、建模及地下巖土的熱物性參數(shù)是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和性能優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。因此建立適合地埋管換熱器短時(shí)響應(yīng)的傳熱模型及研究熱物性參數(shù)的測(cè)量和估算方法具有

2、重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文將當(dāng)量管法引入到混合介質(zhì)無(wú)限長(zhǎng)線熱源(CMILS)模型中，建立了適合短時(shí)響應(yīng)傳熱分析的地埋管換熱器解析模型。與CMILS模型相比，新建模型具有簡(jiǎn)潔的形式和較快的計(jì)算速度。通過(guò)與奧克拉荷馬州立大學(xué)提供的沙箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、其他三個(gè)得到科研人員認(rèn)可的解析模型和一個(gè)用于驗(yàn)證CMILS模型短時(shí)性能的數(shù)值模型的對(duì)比，驗(yàn)證了新建模型的性能。
　　利用新建模型研究了不同當(dāng)量半徑計(jì)算方法的影響，并提出了一種新的

3、計(jì)算當(dāng)量半徑的方法，比其他方法擬合精度更高。新方法綜合考慮了鉆孔幾何結(jié)構(gòu)及回填材料和巖土熱物性參數(shù)對(duì)當(dāng)量半徑的影響，仿真表明提高回填材料導(dǎo)熱系數(shù)將使當(dāng)量半徑變小，回填材料和巖土的熱擴(kuò)散率則對(duì)當(dāng)量半徑的影響非常小。
　　利用新建模型研究了U型管管腳間距的影響，仿真表明U型管管腳間距對(duì)地埋管換熱器的性能影響很大，U型管管腳緊靠鉆孔壁是理想配置，但實(shí)際中比較難安裝，還需要研究好的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝。
　　利用新建模型建立了一種新的計(jì)算

4、短時(shí)g-function的方法，通過(guò)與沙箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、其他解析模型計(jì)算的g-function、Yavuzturk的短時(shí)g-function及Eskilson的長(zhǎng)期g-function的比較，驗(yàn)證了新方法的性能。該方法克服了Yavuzturk的短時(shí)g-function在時(shí)間很短時(shí)變?yōu)樨?fù)數(shù)的缺點(diǎn)。
　　針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試(TRT)對(duì)便攜式設(shè)備的需求，開(kāi)發(fā)了一體化現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試儀測(cè)控電路板，溫度測(cè)量采用了一總線集成溫度傳感器DS18B20

5、，流量測(cè)量采用了TI公司的Scan IF旋轉(zhuǎn)測(cè)量接口模塊，電功率測(cè)量采用了Analog Devices公司的ADE7755，另外設(shè)計(jì)了USB接口和微型打印機(jī)，方便數(shù)據(jù)的記錄和存貯。整套測(cè)控系統(tǒng)滿足國(guó)標(biāo)“GB50366-2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范”對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求。
　　利用新建模型，研究了現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試儀各測(cè)量參數(shù)對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試的影響，其中流體平均溫度誤差對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試的結(jié)果影響比較小，熱流量對(duì)結(jié)果影響較大，并且是對(duì)回填材料和巖

6、土的導(dǎo)熱系數(shù)kg和ks都有影響，巖土初始溫度誤差也對(duì)kg和ks都有影響，但若提高流體平均溫度與初始溫度之間的溫差到6℃以上，則初始溫度誤差對(duì)ks的影響就變的比較小，但對(duì)kg的影響依然很大，可將初始溫度T0也作為被估參數(shù)，得到T0后，再用該T0的值重新計(jì)算kg，就可大大減小初始溫度誤差對(duì)kg的影響。流體平均溫度與初始溫度之間的溫差到6℃以上可作為測(cè)試最短持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
　　最后，改進(jìn)了熱響應(yīng)測(cè)試參數(shù)估計(jì)的兩步法。Bozzoli