基于地埋管换热器热阻—热容网络模型的岩土热响应测试方法研究

发布时间：2017-10-25 15:35

  本文关键词：基于地埋管换热器热阻—热容网络模型的岩土热响应测试方法研究

  更多相关文章： 地埋管换热器 岩土热响应测试 数值模拟 四热阻模型

【摘要】：地埋管换热器是地源热泵系统的主要换热部件。埋管内载流体与周围岩土进行热量交换,在冬季浅层岩土通过载流体向建筑物内传递热量实现供暖,在夏季建筑物内的热量通过载流体向浅层岩土排放实现制冷。由于埋管换热器设计容量的大小与其实际传热性能的优劣将直接影响到整个地源热泵系统长期运行的可靠性与经济性,并且影响地埋管换热器设计容量及其实际传热性能的关键因素取决于是否能够有效、准确地获得岩土和回填料的热物性参数(包括岩土的当量导热系数、岩土热容值和回填料的导热系数等)。因此如何准确、高效地获得这些热物性参数并建立起方便、可靠的地埋管换热器传热分析模型,实现对地源热泵系统地埋管换热器经济、可靠的设计以及保证地源热泵系统长期、高效、可靠地运行,在地源热泵系统的工程应用实践过程中具有重要意义。在地埋管换热器模型的钻孔热阻计算公式方面,本文对比了基于三热阻模型和四热阻模型的钻孔内热阻拟合公式的计算结果。在某特定几何布置结构下,钻孔内三热阻模型的热阻拟合公式会导致埋管之间的热阻出现负值,然而四热阻模型的拟合公式能够克服这一缺陷。在此基础上,本文分别建立了基于钻孔内三热阻模型和四热阻模型的三维地埋管换热器瞬态热阻热容网络分析模型。通过求解分析模型并与CFD数值模拟结果进行对比,确认了基于钻孔内四热阻的瞬态热阻热容模型较三热阻模型能更好地描述地埋管换热器的传热过程,证实了为考虑钻孔周向壁面温度分布不均匀而引入钻孔壁面之间的传热热阻是合理且必要的。为了进一步提高基于钻孔内四热阻模型的地埋管换热器热阻热容瞬态网络模型计算精度,本文对四热阻模型进行了改进。改进后的四热阻模型能更好地模拟地埋管换热器热响应测试前期的非稳态传热过程,使得其计算结果更接近地埋管换热器的三维CFD数值模拟计算结果。与此同时,在不降低计算结果精度的前提下,所获得的改进后的基于钻孔内四热阻模型的地埋管换热器瞬态热阻热容网络分析模型能够实现快速求解,较三维CFD模型可以大大缩短计算时间,提高计算效率。在获得上述改进后的基于钻孔内四热阻传热模型的地埋管换热器三维热阻热容传热网络分析模型基础上,本文结合Nelder-Mead优化算法提出了一种新的能够快速获得浅层岩土热物性参数的地埋管换热器热响应测试方法。验证了该测试方法不仅能获得比常规基于线热源模型更丰富、更准确的岩土当量热物性参数(包括岩土导热系数、岩土热容值和回填料导热系数等),还具有较传统基于线热源模型热响应测试方法可以充分地利用测试初期前10小时测试数据、不再要求测试过程的恒定输入功率等优点。因此,在不降低测试结果精度的前提条件下,本文提出的基于地埋管换热器热阻-热容网络模型的岩土热响应测试方法,可以实现显著缩短热响应测试时间、适应于测试过程变功率输入、大大减少地埋管换热器热响应测试成本等功能,对地源热泵系统在工程实践中大量推广应用具有重要的指导意义。
【关键词】：地埋管换热器 岩土热响应测试 数值模拟 四热阻模型
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU83
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 课题的国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外现状11-13
• 1.2.2 国内现状13-15
• 1.3 本文的研究内容及意义15-17
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 研究意义16-17
• 2 地埋管换热器数值模型和钻孔内热阻分析模型17-37
• 2.1 地埋管换热器CFD数值模型17-24
• 2.1.1 物理模型及简化17-18
• 2.1.2 数学模型18-20
• 2.1.3 CFD数值模型的建立20-22
• 2.1.4 CFD数值模型的求解22
• 2.1.5 CFD数值模型的验证22-24
• 2.2 钻孔内热阻分析模型24-36
• 2.2.1 钻孔内传热分析24-28
• 2.2.2 钻孔内各热阻拟合计算公式的讨论28-36
• 2.3 本章小结36-37
• 3 地埋管换热器三维瞬态热阻热容分析模型37-67
• 3.1 基于钻孔内三热阻模型的地埋管换热器分析模型37-41
• 3.2 基于钻孔内四热阻模型的地埋管换热器分析模型41-46
• 3.3 钻孔内热阻热容值确定46-47
• 3.4 瞬态分析模型的求解47-52
• 3.4.1 隐式格式的TDMA算法48-51
• 3.4.2 基于C语言的计算程序的编写51-52
• 3.5 单U型地埋管换热器热阻热容网络模型的结果分析52-58
• 3.6 改进的四热阻瞬态传热分析模型58-65
• 3.7 本章小结65-67
• 4 基于四热阻瞬态分析模型的新型热响应测试方法67-83
• 4.1 TRT热响应测试方法的介绍67-69
• 4.2 新型岩土热响应测试方法的可行性分析69-70
• 4.3 Nelder-Mead优化算法70-71
• 4.4 新型热响应测试方法的计算结果71-74
• 4.5 变加热功率情况的热响应测试数据处理74-80
• 4.5.1 正弦变化加热功率75-77
• 4.5.2 阶跃变化加热功率77-80
• 4.6 误差分析80-81
• 4.7 本章小结81-83
• 5 结论与展望83-85
• 5.1 结论83
• 5.2 展望83-85
• 致谢85-87
• 参考文献87-91
• 附录91
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文91
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目91

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张有天;介绍联邦德国几个埋管工程的设计与计算[J];水力发电;1986年10期

2 李新国,陈志豪,赵军,李丽新,马一太;桩埋管与井埋管实验与数值模拟[J];天津大学学报;2005年08期

3 於仲义;陈焰华;胡平放;;基于渗流型传热机制的地埋管换热特性研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2009年S2期

4 祝健;廖国庆;;基于有限元法的垂直地埋管换热器传热研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2009年12期

5 林芸;赵强;方肇洪;;水平螺旋地埋管地源热泵的研究[J];暖通空调;2010年04期

6 石磊;高鹏;耿宴;张兆清;刘玉旺;;济宁某桩埋管项目工程分析[J];制冷与空调;2010年03期

7 陈胜朋;沈意成;陈振乾;张辉;;基于耦合法的地埋管换热器设计软件的研发[J];暖通空调;2011年03期

8 陈杰;宋汉周;霍吉祥;;渗流影响下地埋管铺设方式的改进及其数值分析[J];勘察科学技术;2011年05期

9 冉伟彦;;地埋管换热孔传热系数及设计应用[J];供热制冷;2012年01期

10 俞介刚;水电站高压埋管设计的几个问题及其改进措施[J];水利学报;1985年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙亭;刁乃仁;肖洪海;罗苏瑜;;水平地埋管换热器的传热性能研究[A];中国制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年

2 杜次元;陈友明;;竖直埋管有限长线热源的改进模型[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C];2010年

3 於仲义;陈焰华;胡平放;;基于导热型传热机制的地埋管换热特性研究[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

4 於仲义;陈焰华;胡平放;;基于岩土体蓄能平衡的垂直地埋管换热器设计方法[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

5 於仲义;陈焰华;胡平放;徐玉党;袁旭东;;基于换热能效度的竖直地埋管埋设深度设计[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

6 於仲义;陈焰华;胡平放;;基于渗流型传热机制的地埋管换热特性研究[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

7 於仲义;陈焰华;胡平放;;分层型土壤地埋管换热特性研究[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

8 於仲义;胡平放;胡磊;袁旭东;;垂直U型地埋管换热器传热能效特性实验研究[A];建筑电气设计与研究——湖北省/武汉市建筑电气专业委员会二○○九年年会论文集[C];2009年

9 沈炜华;程洪涛;郭彬;贾彩英;陈九法;;桩埋管换热器的传热性能研究[A];制冷空调新技术进展——第四届全国制冷空调新技术研讨会论文集[C];2006年

10 姚杨;张欢;马最良;;土壤蓄冷与耦合热泵集成系统地埋管结构优化[A];全国暖通空调制冷2006年学术年会文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前7条

1 记者 段金平　通讯员 毕文明;国内首台车载浅层地温能响应试验台交付使用[N];地质勘查导报;2009年

2 记者 段金平　通讯员 毕文明;国内首台商业浅层地温能响应试验台问世[N];中国国土资源报;2009年

3 王丽艳　周兆顺 耿大海;“绿色低碳车站”下月建成[N];青岛日报;2010年

4 刘其丕 李晓飞;矿产地质研究院埋管式地源热泵空调技术获专利[N];中国有色金属报;2005年

5 光山县中等专业学校 张传忠;菌墙式埋管平菇栽培法[N];河南科技报;2005年

6 董学成;农民兄弟灌溉出行两方便[N];中国交通报;2006年

7 张峰;国内首个地源热泵系统实验基地落户北京[N];中华建筑报;2010年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 陈金华;竖直双U地埋管换热器分层换热模型研究[D];重庆大学;2015年

2 邓鼎兴;地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价[D];中国地质大学;2015年

3 杜震宇;黄土高原寒冷地区地源热泵单U形地埋管换热器动态换热特性的试验与模拟研究[D];太原理工大学;2014年

4 张琳琳;渗流作用下的垂直地埋管换热器传热性能理论及实验研究[D];西安建筑科技大学;2016年

5 张絮涵;混凝土埋管式辐射冷顶板室内非稳态换热特性研究[D];湖南大学;2016年

6 於仲义;土壤源热泵垂直地埋管换热器传热特性研究[D];华中科技大学;2008年

7 徐坚;地源热泵U型埋管换热器的变周期模型研究[D];浙江大学;2010年

8 杨伟;U型竖直地埋管换热器热响应模型及其算法研究[D];湖南大学;2010年

9 刘卓栋;地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论研究[D];武汉理工大学;2010年

10 雷海燕;地埋管相变回填材料的理论分析与实验研究[D];天津大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 马腾腾;集群竖埋管地热换热器传热简化分析方法研究[D];山东建筑大学;2015年

2 祁英;地埋管直接供冷系统供冷特性研究[D];山东建筑大学;2015年

3 冯俊杰;基于水热式融雪技术桥面铺装温度场及力学研究[D];长安大学;2015年

4 李正浩;垂直U型内螺纹地埋管换热性能研究[D];北京交通大学;2016年

5 马婷婷;复合埋管式土壤源热泵系统性能研究[D];重庆大学;2015年

6 张春一;渗流对地埋管换热器换热性能的影响研究[D];太原理工大学;2016年

7 宋娇;垂直地埋管管群换热器换热三维数值模拟研究[D];沈阳建筑大学;2015年

8 李佩佩;垂直地埋管换热器传热性能测试与模拟研究[D];沈阳建筑大学;2014年

9 杨文晓;并联U型埋管能量桩传热分析[D];山东建筑大学;2016年

10 刘潇;基于地埋管的太阳能季节性蓄热的地下传热分析及其工程应用[D];山东建筑大学;2016年

，

本文编号：1094391