地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱與可靠性理論研究.pdf

1、地源熱泵空調(diào)技術(shù)在我國的應(yīng)用，呈現(xiàn)出較大的發(fā)展勢頭。地埋管換熱器作為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其換熱功能的優(yōu)劣直接關(guān)系到地埋管式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。地源熱泵地埋管在巖土介質(zhì)中的傳熱問題，是近年來暖通與巖土工程領(lǐng)域的交叉學(xué)科研究課題，其研究的內(nèi)容涉及多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)、地下非穩(wěn)態(tài)傳熱、溫度場隨機(jī)分布等復(fù)雜問題。長期以來地源熱泵工程界忽略了巖土介質(zhì)固有的隨機(jī)組成與結(jié)構(gòu)性質(zhì)，偏重于應(yīng)用確定性的傳熱理論來解釋巖土介質(zhì)的傳熱現(xiàn)象，并以此

2、作為工程設(shè)計的依據(jù)，從而極易導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的投資過大或換熱功能不足等問題。在實(shí)際工程中，影響地源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素極其復(fù)雜多樣，而許多因素本身具有顯著的不確定性（主要是隨機(jī)性）。正是由于巖土介質(zhì)傳熱具有的隨機(jī)現(xiàn)象，致使在國際上至今還沒有一致公認(rèn)的地源熱泵換熱器設(shè)計計算方法，從而嚴(yán)重制約了地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。近年來人們開始更多關(guān)注地下埋管及其工況環(huán)境、地質(zhì)條件和系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性，尤其是隨機(jī)性的影響。本文以地源熱泵地埋管在巖土介質(zhì)

3、中的傳熱問題為研究對象，考慮巖土多孔介質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)的隨機(jī)分布性質(zhì)，采用隨機(jī)傳熱分析、隨機(jī)有限元方法、可靠性理論，對巖土隨機(jī)熱物性參數(shù)統(tǒng)計方法、隨機(jī)傳熱模型、傳熱隨機(jī)有限元方法、地埋管可靠性理論與設(shè)計方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要完成了以下工作：
　　 闡述了地源熱泵地埋管換熱器傳熱問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有地源熱泵地埋管換熱器傳熱模型，提出了地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計的概念，以及地埋管隨機(jī)傳熱研究的必要性。介紹了地源熱泵系統(tǒng)的基

4、本概念與工作原理，探討了地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱形式與傳熱機(jī)理，分析了多因素對地源熱泵性能的影響，以及地埋管設(shè)計中的問題與缺陷。
　　 研究了地埋管在巖土介質(zhì)中的傳熱隨機(jī)特性，分析了巖土傳熱參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)及確定性計算方法，以及地源熱泵地埋管傳熱隨機(jī)影響因素。研究了巖土熱物性參數(shù)隨機(jī)性分析方法、巖土材料隨機(jī)溫度場及其計算方法、巖土介質(zhì)隨機(jī)場的離散分析模型、隨機(jī)場的局部平均理論。在分析巖土介質(zhì)傳熱特性基礎(chǔ)上，研究了地源熱泵地埋管換熱器隨機(jī)

5、傳熱模型，提出了地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱溫度場統(tǒng)計分析方法。基于地源熱泵地埋管穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型，提出了地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱的隨機(jī)有限元分析理論。
　　 研究了地源熱泵地埋管換熱器可靠性基本概念、可靠性指標(biāo)體系、總負(fù)荷隨機(jī)影響因素，建立了地埋管換熱器功能狀態(tài)方程，提出了地埋管可靠性設(shè)計與分析方法、以及可靠度計算方法。結(jié)合工程實(shí)例對文本的理論和方法進(jìn)行了計算機(jī)模擬計算分析，研究結(jié)果表明本文方法具有重要的理論意義和使用價值。

6、
　　 總之，本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)方法與計算機(jī)模擬技術(shù)，采用多學(xué)科交叉理論，研究了復(fù)雜的地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱模型，初步揭示了巖土介質(zhì)的隨機(jī)傳熱性質(zhì)、及其與非穩(wěn)態(tài)傳熱的耦合特征，研究了地源熱泵地埋管與巖土的隨機(jī)傳熱機(jī)理、隨機(jī)溫度場分布規(guī)律，為地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱研究開辟了新的研究領(lǐng)域。在深入研究地埋管隨機(jī)傳熱模型的基礎(chǔ)上，建立了地源熱泵地埋管隨機(jī)傳熱的隨機(jī)有限元分析方法，提出了地源熱泵地埋管可靠性理論，為巖土介質(zhì)隨機(jī)傳熱模型的研究