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地源热泵U型埋管换热器的变周期模型研究

徐坚  
【摘要】: 埋管换热器在土壤中的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程,涉及众多参数,本文主要考虑了地源热泵空调负荷的动态性及不平衡性,针对不同时间尺度,不同空间区域的传热过程,建立了地埋管换热器的传热模型,并用数值模拟和实测实验的方法对模型进行验证,并利用本文提出的传热模型对各种参数进行了影响因素分析。得出以下主要成果: 1、土壤的热物性参数是地源热泵系统设计中的重要参数,本文提出了一种适用于各类浅层和深层土壤的测量方法——稳态平板法,该方法便于在实验室进行。利用该方法测定了两种典型土壤在不同干密度和不同水的质量分数条件下的导热系数。得到以下规律:随着含水率及干密度的增加,土壤的导热系数也会逐渐增加,与探针法测量的类似结果相比具有较为一致的规律性,并给出了粉性土壤导热系数的推求公式。 2、深入分析了地埋管换热器的失效机理,并按照周期长短不同将地源热泵换热器失效类型分为短期、中期、长期失效,阐述了三种失效形式的区别与联系。 3、本文提出了一种最佳负荷的设计方法,并通过数值模拟和实测实验的方法研究了5种不同负荷下钻孔壁的温度响应。实验结果表明:1)在周期性脉冲热流的作用下,钻孔壁温度呈周期性震荡并逐渐升高;2)每一时刻,动态负荷作用下的温度响应均小于其最佳设计负荷的温度响应,即最佳设计负荷可以代替动态负荷,由此验证了设计公式的正确性。 4、本文的换热器中期模型采用了改进后的有限长线热源模型。该模型采用叠加原理,并对设计负荷进行了动态优化。改进后的U型竖直埋管换热器中期模型计算简便,考虑了群管的热干扰问题,与传统设计方法相比更加合理。 5、本文提出了群管长期换热的有限长圆柱体热源模型来分析地埋管换热器的长期运行,该模型考虑了群管之间的相互热影响,以及动态负荷的变化特性,且计算简便,精度较高。 6、应用前述章节的变周期模型,本文提出了一种新的地埋管换热器设计方法,该方法能较好地解决地埋管换热器设计中的热不平衡问题。 7、本文提出了一个新的指标——地源热泵多年平均能效系数,利用这个指标可以更加客观地评价地源热泵系统在较长时间内的运行效果。


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