埋地换热器内热源理论与地源热泵运行特性研究

【摘要】：本文提出内热源型埋地换热器理论模型，研究建立内热源型埋地换热器周围土壤热湿传递物理和数学模型。区别于以往传热模型，内热源模型考虑土壤类型、热物性及湿度迁移等各方面因素，将埋设于土壤中的换热器处理为等效内热源，开展埋地换热器及周围土壤传热及温度场的数值模拟研究。 首先针对单U型垂直埋管换热器在不同土壤物性、不同运行工况下周围土壤的传热及温度场开展数值模拟。然后着重对U型垂直埋管换热器管群，模拟只有取热或只有排热单季运行工况下的传热及土壤温度变化，和既有取热又有排热双季运行工况下的传热及土壤温度变化，分析地下埋管长期运行的换热性能、效果和使用寿命。 埋地换热器换热性能是地源热泵设计应用的基础，本文针对不同埋管方式埋地换热器建立现场实验系统，如井埋管、桩埋管、单U、双U管，开展实验研究，研究不同土壤物性、不同回填材料、不同埋管数量和不同运行工况下单井换热器换热性能。 在单井换热器研究基础上，结合天津一生态小区建筑物使用特点和当地水文地质条件，建立一套由桩埋管和井埋管组合的埋地换热器地源热泵示范工程实验系统。并针对该系统研制开发一套计算机数据采集和监控系统，实现对整个地源热泵系统的数据采集。在此基础上，开展地源热泵夏季空调和冬季供暖的运行特性实验研究，重点研究地源热泵系统的循环性能、地下温度和热储的变化规律。 地源热泵系统仿真研究，采用机理建模方法，并引入模糊智能控制方法，分析地源热泵系统各部分：建筑物—单螺杆水源热泵—地下埋管换热器之间相互关系，运用模块化建模方法，建立地源热泵系统的物理模型和准稳态数学模型。区别于常规仿真中的扰量跃变或非稳态仿真，本文首次采用外界扰量为连续变化的动态仿真，以Matlab/Simulink为平台编制仿真程序，针对冬季工况进行仿真模拟，并与实验值作对比，检验所建模型的正确性。 论文首次提出了“单位井深换热量成本”指标，采用该指标对埋管换热器的换热性能和经济性进行综合评价分析。分析比较地源热泵与常规供暖空调方式的经济性不同，分析地源热泵的节能与环保性。 本论文目的是要应用地源热泵技术，结合不同地质条件，建筑结构和地区气象条件开展探索性研究工作，期望能对地源热泵的应用推广具有指导价值。