豎直地埋管換熱器不確定性設(shè)計(jì)傳熱模型研究.pdf

1、豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用清潔可再生的淺層地?zé)崮茏鳛榈推肺粺嵩矗▍R），具有低碳節(jié)能、環(huán)保高效、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢。其中，地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)對整個(gè)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行起決定性作用，也是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、制約技術(shù)推廣的主要原因。然而，常規(guī)確定性設(shè)計(jì)方法忽略了隨機(jī)因素的影響，如傳熱模型不確定性、巖土熱物性參數(shù)不確定性、建筑負(fù)荷不確定性、熱泵機(jī)組特性不確定性等，對于無法準(zhǔn)確獲得實(shí)際數(shù)值的參數(shù)，往往通過考慮最不利工況或添加安全系數(shù)的方法考慮設(shè)計(jì)過程中的最大不

2、確定性，容易造成設(shè)計(jì)余量過大。因此，本文對底層傳熱模型和設(shè)計(jì)主要環(huán)節(jié)參數(shù)的不確定性進(jìn)行深入探索，構(gòu)建綜合考慮多種不確定性因素的豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)理論框架，科學(xué)合理地描述輸入?yún)?shù)不確定性到設(shè)計(jì)輸出不確定性的傳播過程。
　　首先，通過文獻(xiàn)調(diào)研，遴選出地源熱泵工程設(shè)計(jì)中具有代表性的傳熱模型，對其假設(shè)條件、邊界及初始條件等基本設(shè)定和求解方法進(jìn)行了詳細(xì)解析，在此基礎(chǔ)上，建立了動(dòng)態(tài)環(huán)境作用下的二維軸向-徑向解析（DCFLS）模型。模擬分析和

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，該模型能夠很好地揭示換熱器與巖土之間的傳熱機(jī)理。利用DCFLS模型，基于空間疊加原理和改進(jìn)的負(fù)荷塊聚合法，開發(fā)了變負(fù)荷工況下多個(gè)鉆孔豎直地埋管換熱器的設(shè)計(jì)方法。
　　其次，為考察工程中熱響應(yīng)測試環(huán)節(jié)對地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)過程的影響，深入研究了熱響應(yīng)測試中評估參數(shù)的選取以及參數(shù)評估的優(yōu)化算法，使用信賴域內(nèi)點(diǎn)反射法及單純形法、對同一組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行基于不同傳熱模型的參數(shù)評估，發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算上，DCFLS模型的表現(xiàn)優(yōu)于

4、常熱流作用下的其他代表性模型。
　　同時(shí)，定量分析了巖土熱物性參數(shù)估計(jì)模型與地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)模型的匹配問題。結(jié)果表明，常熱流作用下，模型不匹配可造成±5-15％流體溫度計(jì)算相對偏差，在模型匹配情況下，DCFLS模型與權(quán)威的DST模型之間相對偏差最小；模型不匹配對半經(jīng)驗(yàn)公式方法地埋管總長度尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算的影響較小，但對變負(fù)荷工況下長期模擬預(yù)測設(shè)計(jì)方法影響較大，在模型匹配情況下，DCFLS設(shè)計(jì)結(jié)果與TRNSYS設(shè)計(jì)結(jié)果最為接近。
　

5、　鑒于所提出的DCFLS模型在計(jì)算準(zhǔn)確性、運(yùn)算速度以及使用靈活性方面的良好表現(xiàn)，結(jié)合Monte Carlo隨機(jī)模擬技術(shù)，提出了以DCFLS為底層模型的豎直地埋管換熱器不確定性設(shè)計(jì)理論框架，明確了不確定性設(shè)計(jì)的基本原理和實(shí)施步驟，并給出了主要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性量化方法。
　　最后，應(yīng)用建立的不確定性設(shè)計(jì)方法，以某高校圖書館建筑為研究對象，進(jìn)行地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，不確定性設(shè)計(jì)方法能夠描繪設(shè)計(jì)輸出的所有可能性，通過可視化經(jīng)驗(yàn)累