竖直地埋管换热器分层换热模型分层方法研究

发布时间：2017-11-01 10:17

  本文关键词：竖直地埋管换热器分层换热模型分层方法研究

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【摘要】：2015年底,我国可再生能源装机容量已达到全球总量的24%,成为世界可再生能源利用第一大国,但地源热泵发展受到明显制约,面临巨大压力,提高能源质量与效益也成为“十三五”时期的工作重点。地埋管换热器是地源热泵中重要组成部分,在我国,竖直U型地埋管换热器凭借其占地面积小、可用范围广而得到广泛推广,主要包括了单U与双U类型。本文在以往土壤均匀换热模型基础上,针对单U型地埋管换热器建立分层换热模型,开展分层方法研究,为实际工程设计提供参考。本文首先建立单U地埋管换热器详细分层换热模型,在现有研究基础上,考虑地埋管换热器周围土壤存在地质分层与地下水渗流情况,提出以温度测点与岩土分层位置进行详细分层的方法。通过对钻孔内、外换热模型分析,提出计算单U地埋管换热器周围岩土热物性参数计算方法。基于实际工程,对建立的详细分层模型进行验证,并比较其与常规均匀模型与根据地质分层的简化分层模型的差异,提出根据土壤导热热阻变化率进行综合分层的新方法,称为热阻分层法。利用实际工程对热阻分层法进行验证,并通过一复杂地质进行二次检验,证明该方法的准确性与合理性。最后简单介绍根据热阻分层法结果进行设计的过程,并通过VBA开发程序建立计算利用热阻分层法得到的土壤热物性参数与单位长度换热量的计算软件。实测数据及模拟结果表明,根据详细分层结果,各个地质导热热阻均不相同。不同地质导热热阻变化率在17.56~27.59%之间,相同地质在0.19%~6.51%之间,变化差异均不同,且部分较大。因此综合孔隙率、地下水渗流等原因,考虑综合变化率上限进行分层,可避免按照地质进行简化分层造成较大误差、按照温度测点与地质进行详细分层导致庞大的工作量。对比实测数据,模拟结果表明冬夏季供回水温差均存在一定的差别。未分层模型分别为30.36%、30.72%,简化分层模型相对误差分别为22.74%、23.84%,详细分层模型相对误差分别为7.41%、7.32%。根据三种分层情况结果,说明将整个地埋管换热器视为均匀统一模型存在较大误差,简单地质分布情况下按照地质进行简单分层后结果同样存在较大误差。按照详细分层虽然误差较小,但工作量较大,因此提出热阻分层法。同样对比实测数据,模拟结果证明,分别按照相邻土壤导热热阻变化率上限3%、5%、8%进行分层,分别分为7、6、4层,其冬夏季供回水温差平均相对误差分别为9.31%、20.33%、23.29%,因此选取3%为变化率上限,增加少量的工作量可达到较高的准确度。通过一复杂地质分布情况对该变化率上限进行验证,结果表明进出水温差的模拟与实测值平均相对误差为2.7%,小于5%,认为该方法具有较高的精度与可靠性。利用VBA开发程序设计该方法计算程序,为设计人员提供便利。研究表明,该分层方法结合地质变化规律与地质分布情况,避免分层结果中地质区间过大或地质区间土壤热物性参数变化较大的情况。该分层方法具有科学合理性,为工程设计提供依据,方法可靠,简单可行,具有较好的应用前景。
【关键词】：土壤源热泵 地埋管换热器 土壤热物性参数 热阻分层法
【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5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 课题研究意义11
• 1.3 土壤源热泵系统发展及现状11-18
• 1.3.1 国内外土壤源热泵发展历史11-14
• 1.3.2 国内外土壤源热泵研究现状14-17
• 1.3.3 国内外土壤分层与渗流对地埋管换热器换热性能研究现状17-18
• 1.4 本文主要工作18-20
• 2 单U地埋管传热过程20-32
• 2.1 地埋管换热器形式20
• 2.2 地埋管换热器传热分析20-29
• 2.2.1 单U型地埋管换热器传热过程21
• 2.2.2 单U型地埋管换热器钻井内部换热模型21-26
• 2.2.3 单U型地埋管换热器钻井外部换热模型26-28
• 2.2.4 有地下水渗流时地埋管换热模型28-29
• 2.3 已有地埋管换热器换热模型29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 3 单U地埋管详细分层换热模型建立32-42
• 3.1 土壤特性32-35
• 3.1.1 土壤基本特性32-33
• 3.1.2 土壤热物性参数33-34
• 3.1.3 土壤特性研究难点34-35
• 3.2 单U地埋管详细分层换热物理模型35-39
• 3.2.1 模型建立假定条件35-36
• 3.2.2 基于实际地质及测点分布建立几何模型36-37
• 3.2.3 网格划分37-39
• 3.3 单U地埋管详细分层换热数学模型39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 4 单U地埋管分层换热模型求解方法及验证实验42-64
• 4.1 单U地埋管周围土壤热物性参数求解42-47
• 4.1.1 单U地埋管内部流体温度求解方法42-44
• 4.1.2 分层土壤热物性求解方法44-45
• 4.1.3 各分层热物性参数计算结果45-47
• 4.2 分层方法47-50
• 4.2.1 未分层方法47-48
• 4.2.2 简化分层法48-49
• 4.2.3 热阻分层法49-50
• 4.3 实验台简介50-60
• 4.3.1 实验台概况50-56
• 4.3.2 实验时间安排56-57
• 4.3.3 实验数据误差57-58
• 4.3.4 土壤初始温度58-60
• 4.4 求解器及边界条件设置60-62
• 4.5 本章小结62-64
• 5 单U地埋管换热模型验证64-96
• 5.1 模型验证64-71
• 5.1.1 夏季实验模拟验证65-68
• 5.1.2 冬季实验模拟验证68-71
• 5.2 利用未分层方法验证模型71-76
• 5.2.1 夏季实验模拟验证72-74
• 5.2.2 冬季实验模拟验证74-76
• 5.3 利用简化分层方法验证模型76-81
• 5.3.1 夏季实验模拟验证77-79
• 5.3.2 冬季实验模拟验证79-81
• 5.4 利用热阻分层法验证模型81-91
• 5.4.1 夏季实验模拟验证83-87
• 5.4.2 冬季实验模拟验证87-91
• 5.5 各类方法比较91-94
• 5.6 本章小结94-96
• 6 热阻分层法在工程设计中的应用96-106
• 6.1 利用地质分布复杂情况验证方法可行性96-100
• 6.1.1 实际地质分布与土壤初始温度97-98
• 6.1.2 设置模型边界条件98-99
• 6.1.3 验证模型正确性99-100
• 6.2 基于工程应用的热阻分层法100-102
• 6.3 单U热质分层模型于工程设计中应用102-104
• 6.3.1 开发环境102
• 6.3.2 软件计算过程及界面102-104
• 6.4 本章小结104-106
• 7 结论及展望106-110
• 7.1 主要结论106-107
• 7.2 创新点107-108
• 7.3 展望108-110
• 致谢110-112
• 参考文献112-118
• 附录118-122
• A. 攻读硕士学位期间发表的学术论文118
• B. UDF自定义程序118-120
• C. VBA开发程序120-122

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