热响应测试中土壤热物性辨识准确性影响因素研究

发布时间：2020-07-21 14:23

【摘要】：随着经济社会的高速发展,能源供需与人类发展之间的矛盾愈演愈烈。在这样的背景之下,开发可再生能源,减少化石能源的消耗,增加能源的多元利用,降低氮氧化物等污染物的排放已成为国家能源发展战略的重要支撑点。地源热泵系统因其利用浅层地热资源,通过输入少量高品位能源为建筑物提供热(冷)量,从而达到节能减排目的。是公认的高效节能供热制冷空调系统。地源热泵系统虽具有无可比拟的发展优势,但同样也受到诸多因素的限制影响其发展。首先,地源热泵系统初投资过高,致使大多数施工单位难以承受。限制了地源热泵系统的推广发展。其次,土壤热物性参数为地源热泵系统设计的指导性参数,其获得的准确性将直接影响到地源热泵系统的设计,进而影响系统的经济效益及长期运行性能。所以,准确获得施工地区的土壤热物性参数,对于地源热泵系统的推广应用具有十分重要的意义。本文基于现场热响应测试原理,对地源热泵系统的核心部件地埋管换热器同周围土壤间的换热过程进行了理论分析。运用CFD理论对地下换热过程进行数学建模,并应用Fluent建立高度仿真的模拟实验平台。通过搭建模型实验台,测量关键位置温度,同仿真结果进行对比,分析实验值同模拟值之间相对偏差的变化原因,验证了仿真实验平台的准确性。然后通过理论分析,总结出影响土壤热物性参数获得准确性的各种因素。应用仿真实验平台进行热响应测试模拟,为准确的模拟热响应测试过程,通过UDF对地埋管换热器的入口温度进行处理。通过模拟热响应测试获得各种工况下地埋管换热器的逐时进出口温度后基于双参数优化思想,采用参数估计法,对线热源模型和柱热源模型分别应用Matlab软件编写反演计算土壤热物性参数的程序。获得热响应测试模拟数据后,将数据导入到辨识程序并运行参数辨识程序。辨识各单因素影响下的土壤热物性参数。在此基础上,将仿真实验平台输入的热物性参数作为热响应测试中土壤热物性参数的真实值。以热物性参数真实值为基准,对比真实值和辨识值得到参数辨识过程中的相对误差。分析土壤热物性参数的辨识误差,根据相对误差最小提出最佳测试时间。摒弃传统工程中依据主观经验确定测试时间的方法,建议按照最佳测试时间对热响应测试进行安排。并且通过分析各因素对热物性参数辨识最佳测试时间的影响趋势给出施工地点选择及热响应测试过程中操作条件的合理性建议,为地源热泵工程实践提供可供参考的指导建议。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK52
【图文】：

示意图,物理模型,示意图

确定计算域后需要对计算空间进行网格划分，实现控制方程在网格节点上的逡逑离散化。地埋管换热器同周围土壤换热的物理模型通过Ｆｌｕｅｎｔ前处理软件ＧＡＭＢＩＴ绘逡逑制并进行网格划分，其示意图如图２．２所示。物理模型尺寸同实际物理问题尺寸相同，逡逑高度还原实际物理问题。物理模型中包括四部分几何体：地埋管内循环流体、地埋管换逡逑热器、钻孔内回填材料、钻孔外土壤。由于地埋管换热器的管长要远大于管径，因此管逡逑内循环流体在地埋管换热器内的流动属于细长管道流动问题。逡逑崎—７逡逑／邋Ｍ邋／逡逑？邋１／0邋１／逡逑图２．２物理模型示意图逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．２邋ｔｈｅ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑２．２．２网格划分逡逑采用ｎｕｅｎｔ进行计算之前需对控制方程所在规定区域进行离散，从而使控制方程转逡逑变为各网格节点上的代数方程组，然后采用线性代数方法进行迭代求解。网格生成是其逡逑中一个关键步骤。网格生成质量的好坏对数值计算的精度及效率影响很大。计算网格按逡逑照网格节点之间的关系可以分为结构化网格、非结构化网格以及混合网格。结构化网格逡逑的网格节点之间的临近关系是有序且规则的。采用结构化网格进行数值计算可以方便准逡逑确的处理边界条件，计算精度高，而且可以采用多种高效隐式算法和多重网格法，计算逡逑效率高于非结构网格和混合网格。其缺点是针对形状不规则的几何体应用结构化网格十逡逑－１４－逡逑

示意图,网格划分,示意图,网格节点

原理图,尺寸,实验平台,恒温水箱

逦第２章地埋管换热器数学模型建立及实验验证逡逑温度控制系统。实验平台原理图及实物图见图２．４。逡逑电加热管逡逑—箱逦Ｉ逡逑阀门邋ｈ｜逦—＊逡逑ｖＷＭＺＺ邋￣？计逦、！逦＇４，’逡逑砂箱逦一，砂土逦以：侜：：逡逑－逡逑（ａ）实验平台原理图逦（ｂ）实验平台实物图逡逑（ａ）邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逦（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍａｐ逡逑图２．４地埋管换热实验平台逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．４邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｆｏｒ邋ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ邋ｈｅａｔ邋ｅｘｃｈａｎｇｅｒ逡逑其中，地下埋管换热系统由铜制单Ｕ型埋管换热器及土壤构成。图２．５为铜制单Ｕ逡逑型埋管换热器尺寸结构示意图。逡逑厂逡逑ｉ；逦Ａ邋６ｃｍ丨逡逑＿Ｊ．邋５ｃｎ＾＿邋Ｉ逡逑卜邋□邋Ｑ逡逑丨；逦Ｉ逦＾逦３０ｃｍ邋逦逡逑ｉ邋ＬＪ逡逑图２．５铜制Ｕ型管尺寸逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．５邋ｔｈｅ邋Ｕ－ｔｕｂｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ邋ｍａｄｅ邋ｂｙ邋ｃｏｐｐｅｒ逡逑换热系统所用土壤选用沈阳市东北大学校内地表浅层土壤。水循环系统由循环水逡逑泵、流量计、恒温水箱及连接管路构成。为防止热量在循环过程发生损失影响实验准确逡逑性，在循环管路外部包裹了保温材料以减少热损失。循环水栗经过计算选用德国威乐逡逑ＰＢ－０８８ＥＡＨ型水泵。恒温水箱材质选用不锈钢３１６Ｌ，通过焊接制成。温度控制系统由逡逑温度传感器及恒温控制箱构成

【参考文献】