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竖直地埋管换热器短时热响应建模及应用研究

魏建平  
【摘要】:地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的新型空调系统,是一项具有广阔发展前景的可再生能源利用技术,具有绿色、节能、环保和可再生的优点,近十几年来在我国得到了迅速的发展和应用。地埋管换热器是地源热泵系统与地下岩土交换热量的重要部件,决定了整个系统的性能和成本。地埋管换热器的短时响应传热分析、建模及地下岩土的热物性参数是地源热泵系统设计、运行控制和性能优化的重要基础。因此建立适合地埋管换热器短时响应的传热模型及研究热物性参数的测量和估算方法具有重要的理论意义和应用价值。本文将当量管法引入到混合介质无限长线热源(CMILS)模型中,建立了适合短时响应传热分析的地埋管换热器解析模型。与CMILS模型相比,新建模型具有简洁的形式和较快的计算速度。通过与奥克拉荷马州立大学提供的沙箱实验数据、其他三个得到科研人员认可的解析模型和一个用于验证CMILS模型短时性能的数值模型的对比,验证了新建模型的性能。利用新建模型研究了不同当量半径计算方法的影响,并提出了一种新的计算当量半径的方法,比其他方法拟合精度更高。新方法综合考虑了钻孔几何结构及回填材料和岩土热物性参数对当量半径的影响,仿真表明提高回填材料导热系数将使当量半径变小,回填材料和岩土的热扩散率则对当量半径的影响非常小。利用新建模型研究了 U型管管脚间距的影响,仿真表明U型管管脚间距对地埋管换热器的性能影响很大,U型管管脚紧靠钻孔壁是理想配置,但实际中比较难安装,还需要研究好的途径来实现安装。利用新建模型建立了一种新的计算短时g-function的方法,通过与沙箱实验数据、其他解析模型计算的g-function、Yavuzturk的短时g-function及Eskilson的长期g-function的比较,验证了新方法的性能。该方法克服了Yavuzturk的短时g-function在时间很短时变为负数的缺点。针对现场热响应测试(TRT)对便携式设备的需求,开发了一体化现场热物性测试仪测控电路板,温度测量采用了一总线集成温度传感器DS18B20,流量测量采用了 TI公司的Scan IF旋转测量接口模块,电功率测量采用了Analog Devices公司的ADE7755,另外设计了 USB接口和微型打印机,方便数据的记录和存贮。整套测控系统满足国标"GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范"对现场测试的要求。利用新建模型,研究了现场热物性测试仪各测量参数对热响应测试的影响,其中流体平均温度误差对热响应测试的结果影响比较小,热流量对结果影响较大,并且是对回填材料和岩土的导热系数kg和ks都有影响,岩土初始温度误差也对kg和ks都有影响,但若提高流体平均温度与初始温度之间的温差到6℃以上,则初始温度误差对ks的影响就变的比较小,但对kg的影响依然很大,可将初始温度T0也作为被估参数,得到T0后,再用该T0的值重新计算kg,就可大大减小初始温度误差对kg的影响。流体平均温度与初始温度之间的温差到6℃以上可作为测试最短持续时长的判断标准。最后,改进了热响应测试参数估计的两步法。Bozzoli提出利用测试前期的数据计算回填材料导热系数k和体积热容量Cg,利用测试后期的数据计算岩土的ks和Cs。但实际工程测试时初始温度T0的测量方法和测量误差以及热流量ql的测量误差对估算结果影响很大,故本文改进了 Bozzoli提出的两步法,通过分析各参数的灵敏系数,提出利用测试前期的数据计算kg、Cg和T0,利用测试后期的数据计算Ks、Cs和ql,通过伪TRT数据和沙箱实验数据验证了改进的两步法的效率。


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