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U型竖直地埋管换热器热响应模型及其算法研究

杨伟  
【摘要】:目前,建筑能耗占中国总能耗的比例已达27.8%,并且还在持续上升。此外,中国的能源消费结构不合理,煤占统治地位,而清洁能源所占的比例却很少。地源热泵是一种利用地热这一可再生能源的暖通空调系统,它具有种高效、节能、环保的特点,它的推广应用,对于建筑节能,以及能源和环境的可持续发展都有着重要的意义。地埋管换热器的长期换热性能对地埋管地源热泵系统的初投资、运行性能、运行费用以及使用寿命都有着重要的影响,而对地埋管换热器的长期换热性能进行有效的预测、分析和评价就需要有一种简单快速的计算方法,因此针对地埋管换热器热响应模型快速算法方面的研究有很重要的理论价值和实用价值。 本文将系统辨识的方法和Z-传递函数法以及谐波反应法结合起来,对U型竖直地埋管换热器的热响应模型及其相关算法进行了深入的研究。本文首先应用离散数列的傅立叶分解方法,对作用于地埋管换热器上的任意形式的热流进行分解,将其为解为一个阶跃热流和若干个三角函数形式的热流之和。这样就将无规则的自然信号转化为特殊信号,为下文分析地埋管换热器在特殊信号的热流作用下,周围岩土的温度响应奠定了基础。通过对比分析,本方法具有很高的计算精度。 Z-传递函数法是分析围护结构非稳态传热的常用方法,它具有计算速度快的突出优点。直接求根法是求解Z传递系数的常用方法,但直接求根法计算过程较为复杂,且可能存在丢根的现象。为解决此问题,本文结合系统辨识的理论,建立了基于Z-传递函数法的地埋管换热器热力系统动态热特性辨识模型,并在此基础上,进一步提出了基于Z-传递函数法的地埋管换热器热力系统的辨识算法。本算法采用最小二乘辨识算法作为辨识准则,以基于Z-传递函数法的地埋管换热器热力系统动态热特性辨识模型为辨识模型,以有限长线热源模型的数值解为数据的观测值,以此来辨识地埋管换热器热力系统的Z传递系数,最后利用辨识得到的Z传递系数计算得到作用于地埋管换热器上的热流引起的周围岩土的温度响应。 本文利用基于Z-传递函数法的地埋管换热器热力系统的辨识算法,分析了不同周期的三角函数形式的热流作用下,地埋管换热器周围岩土的温度响应。分析发现,当正弦波形式的热流周期较小( T≤720h)时,本算法不仅计算速度快而且计算精度高;而当周期较大(T720h)时,为达到相同的计算精度,所需的反应系数大为增加,这就造成计算时间也大为增加。此时采用此法,就不能充分体现反应系数法计算速度快的优势。为解决此问题,本文还建立了基于谐波反应法的地埋管换热器热力系统动态热特性辨识模型,并在此基础上,进一步提出了基于谐波反应法的地埋管换热器热力系统的辨识算法,本算法可以用来求解长周期三角函数形式热流的温度响应。通过对比分析,本算法也具有很高的计算精度。 然后本文又将基于Z传递函数法的地埋管换热器热力系统的辨识算法和基于谐波反应法的地埋管换热器热力系统的辨识算法结合起来,提出了短步长热响应模型快速算法,通过与g-函数的对比表明,本算法不仅计算精度高而且计算速度快。结合短步长热响应模型快速算法,本文还建立了计算地埋管换热器管内流体温度的数学模型,结合实际算例,介绍了热响应模型短步长快速算法在单个钻孔的地埋管换热器系统上的应用方法。 最后本文将基于最小二乘辨识的Z-传递函数算法应用于多钻孔的地埋管换热器系统,并结合管内流体温度的计算模型,计算得到管内流体温度的变化;以管内流体温度的计算结果来评价多钻孔地埋管换热器系统的长期换热性能,并给出了调整设计方案的相关建议。


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