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《北方工业大学》 2008年
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土壤源热泵地下温度场分析的有限元线法

任晓丽  
【摘要】: 土壤源热泵空调系统是利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋于地下的封闭环路中循环流动,与土壤进行热交换,进而由热泵实现对建筑物的制冷或供暖。土壤源热泵因其显著的节能和环境保护效益,在国内外日益受到重视。但是,我国对土壤源热泵系统的研究,仍然处于起步阶段,尚无成熟的设计规范和运行经验的总结。本文是在北京市可持续发展基金的支持下,首次将有限元线法引入到温度场的分析中,用有限元线法对土壤源热泵地下温度场进行了分析计算。 本文课题组完成了一个地源热泵的样板工程,采用了双U型垂直埋管地下换热系统,跟踪记录了该工程一个冬季取暖期的运行记录,积累了冬季地下埋管系统中水温随运行时间的变化情况。这些数据为土壤源热泵的设计研究提供了参考作用。 本文首先对影响传热的各种因素进行了分析,对传热模型进行了探讨研究,确定了本文所采用的传热模型。并分析了温度场的特点及边界条件,用分离变量法给出了二维稳态温度场的解析解,并作为有限元线法计算结果的校核依据。 本文以a×b单元为例,说明了将有限元线法应用于温度场的理论分析过程,得到了一组常微分方程组及其边界条件。然后说明了常微分方程求解器—COLSYS的使用范围,求解功能及使用方法,并对其精确性进行了验证,计算结果表明COLSYS的计算精度完全满足有限元线法的要求。最后用COLSYS对所得到的常微分方程组和边界条件进行了求解,然后与分离变量法得到的解析解进行对比。计算结果的对比表明,有限元线法可应用于温度场的分析计算,且计算精度高,解答令人满意。 论文将本文的计算方法应用到实际的工程中,建立了简化模型,对上苑公寓土壤源热泵地下温度场进行了计算,通过计算结果与实际情况的对比可以看出,有限元线法的计算结果反映了地下换热器的传热规律。
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