1、沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文第1章 引言1.1 研究背景1.1.1 熱泵技術(shù)及地源熱泵系統(tǒng)隨著能源危機的加劇，人們開始清楚的意識到，在合理開發(fā)利用常規(guī)能源的同時，也要大力發(fā)展清潔的可再生能源，這要求人們必須對于社會能源消耗情況要有清楚的認識。地源熱泵系統(tǒng)是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)的環(huán)保能源利用系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)通常是轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方，還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，一個年度形成一個冷熱循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能減排的功能。地源熱泵系統(tǒng)作為熱源對建筑物進行供熱和空調(diào),與空氣熱源相比,有

2、全年溫度波動小、數(shù)值相對穩(wěn)定等優(yōu)點,具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益,近年來在國內(nèi)得到了廣泛應用。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用2o0m以內(nèi)淺層地殼中熱量的地源熱泵系統(tǒng),它采用地埋管換熱器(geothermal heat exchanger)與大地(地層土壤、地下水)進行換熱,規(guī)避了地下水地源熱泵的問題,同時保留了該系統(tǒng)的優(yōu)點,有著廣闊的適用范圍,因此將成為地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)的主導形式。本文重點介紹地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)包括一室內(nèi)部分和兩部分組成的室內(nèi)部分包括熱泵和管道系統(tǒng)（或風機盤管系統(tǒng)），類似于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的腔室外部;地埋管換熱器部分的室外部分（見圖1.1）。圖1.1 地源熱泵流程示意圖1.1.2

3、 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點1、高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，土壤與空氣溫差一般為17度，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%50%左右。2、使用壽命長地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年。要比普通空調(diào)高35年使用壽命。3、節(jié)省空間沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設(shè)備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。4、實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用地源熱泵熱源的形式多樣化，無論是干凈清澈的地下水，資源量大

4、而無法高效利用的海水，還是生活和工業(yè)生產(chǎn)廢水，抑或者地表水，都可以高效的加以利用，實現(xiàn)太陽能量的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)可持續(xù)綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略。1.2 地埋管換熱器研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 1.2.1 國外現(xiàn)狀20世紀20年代以來,隨著能源危機和環(huán)境問題的出現(xiàn)并且日益嚴重,土壤源熱原系統(tǒng)因節(jié)能、節(jié)水而普遍受到歐美各國等的關(guān)注,地源熱泵的研究進人了高潮。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%,其中在新建筑里面占30%;據(jù)1999年的統(tǒng)計,歐洲的一些國家在家用的供熱裝置中地源熱泵所占比例如下:瑞土為96%、奧地利為38%、丹麥為27%。1912 年，瑞士人 h.yellowly1首次提出了利用土

5、壤作為熱泵系統(tǒng)熱源的設(shè)想，隨后申請了專利。50年代初，美國，英國開始使用地熱盤管做家用泵，并開始研究土壤耦合熱泵。土壤耦合熱泵與早期使用的研究工作主要有：1947 年英國電氣研究協(xié)會開始研究地下埋管熱泵。1948 年 inkslinger 和 glass 2根據(jù) kelvin 線性源理論提出了地下埋管換熱器的線性源理論3。 1953 年，美國電力協(xié)會認為這個時期的試驗還沒有提供出可供使用的設(shè)計方法。 由于這個時期的能源價格低，土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資高，使得這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟。此外，土壤源熱泵系統(tǒng)因其計算復雜、土壤對金屬的腐蝕等原因，使得對該系統(tǒng)的早期研究高潮。在圖 1.2 中，給出了 19832

6、007 年期間美國地源熱泵系統(tǒng)每年的安裝數(shù)量曲線4。 圖1.2 19832007 年美國地源熱泵年安裝數(shù)量5截至 2009 年，美國在運行的地源熱泵系統(tǒng)約為 100 萬套，地源熱泵系統(tǒng)年消耗一次能源約為 7.47×106kw·h，為 1990 年的 5 倍6。 20世紀50年代，美國，英國開始使用地源熱泵線圈做家，并開始研究土壤耦合熱泵。土壤耦合熱泵與早期使用的研究工作主要有： 圖1.3 歐洲部分國家地源熱泵安裝數(shù)量5從圖 1.3 得出，德國、英國、奧地利的地源熱泵體系建立的比較多。從發(fā)展速度，瑞典，每地源熱泵系統(tǒng)的全年安裝約40,000臺，居歐洲之首。除了瑞典，市場的增長

7、在德國，法國，芬蘭，瑞士，奧地利，挪威，很快，在2006年，增長率為45，奧地利市場，德國市場120的增長速度。2008 年，歐洲整體裝機量約為 13.5 萬19 萬臺。研究的具體內(nèi)容可以歸結(jié)為地下埋管換熱器內(nèi)鉆孔內(nèi)的熱阻和土壤導熱系數(shù)的求解等兩方面，主要代表有7： 1987 年，bennet et al.采用多級法得到了鉆孔內(nèi)熱阻的表達式。該表達式分兩部分，第一部分其實為線源公式，第二部分為線源公式的一階修正。該結(jié)果應用在了 eed 設(shè)計軟件以及 glhepro4.0 上。 1991 年，hellstrom 得到了鉆孔內(nèi)熱阻的另一解析解，該公式被稱為線源公式。這一方法應用在了 dst 項目上

8、。 1996 年，paul 通過實驗測試的結(jié)果，得出了地埋管換熱器鉆孔內(nèi)熱阻的表達式，該表達式囊括了鉆孔內(nèi)地埋管的三種典型布置情況。2009 年，harshaw et al.通過建立地埋管換熱器的二維數(shù)值模型，模擬得到了典型情況下地埋管換熱器鉆孔內(nèi)的熱阻，并通過擬合得到了熱阻的表達式。 2010 年，richard a. bevier 在 marcola 和 pasquinade 提出 p 線性表達式的基礎(chǔ)上，得到了新的鉆孔內(nèi)熱阻解析解，該結(jié)果適用于熱響應測試后期，計算地埋管換熱器埋管內(nèi)流體溫度的沿程分布。 1.2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀我國近地表資源比較多，在未來的日子里,中國面臨著巨大的能源和環(huán)保壓

9、力,中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長同時又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。與此同時,科技部委托的中國企業(yè)公司正醞釀將美國的地源熱泵技術(shù)及設(shè)備引進中國市場,這將促進我國地源熱泵技術(shù)的市場化產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,并使我國地源熱泵的鉆探建設(shè)盡快跟上國外潮流,所以我們有理由相信,在充裕研習借鑒國際先進技術(shù)和運轉(zhuǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,在各個政府的有力幫助下,科技界和企業(yè)手中，依靠自己的力量完全有能力在短時間內(nèi)發(fā)展。1.3 本文研究內(nèi)容及其意義1.3.1 研究內(nèi)容 u形垂直地埋管換熱器管的主要應用形式，垂直接地熱管換熱器與周圍土壤之間的熱傳遞分析是非常復雜的,除了地埋管換熱器的構(gòu)造和幾何配置外,還有許多因素影響地埋管換熱器的

10、性能,比如土壤初始溫度分布、土壤濕度程度、土壤熱物性、地下水流動、土壤可能的凍融等。此外,地埋管換熱器負荷的變化不平衡因子和每年的加熱和冷卻負荷，也有對其傳熱性能的重要影響。本文將重點放在u形垂直地源熱泵系統(tǒng)來研究，改進和完善地下傳熱模型的地熱管傳熱機理,并與己有的傳熱模型進行比較,進而確定豎直u型埋管較為準確的模型,并在此基礎(chǔ)上提出地熱換熱器新的計算方法,為地熱換熱器的設(shè)計提供準確、快速的計算方法。1.3.2 理論意義和應用價值地源熱泵技術(shù)在中國的應用在短時間內(nèi)投資，缺乏成熟的設(shè)計與施工技術(shù)的經(jīng)驗和能力可變地址的氣候條件和建筑空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)的理論探討和技術(shù)應用遠遠沒有完成。（1）理論

11、意義以熱阻為基礎(chǔ)的設(shè)計計算多采用半經(jīng)驗公式方法,但近來精確解析解的分析方法在設(shè)計中應用越來越廣泛,該方法在有限長線熱源模型應用最為廣泛,并且形成了較成熟的g一函數(shù)方法。該方法克服了半經(jīng)驗方法的計算粗糙、考慮因素過少的缺點,同時也解決了數(shù)值方法計算模擬時間過長、難以直接應用工程實踐的問題。（2）應用價值地埋管換熱器設(shè)計是不是適合關(guān)系著地源熱泵體系利用的經(jīng)濟性和運轉(zhuǎn)的可靠性。合理的設(shè)計能夠保持地源熱泵良好的運行狀態(tài),減少地埋管換熱器安裝初始成本和整個系統(tǒng)生命周期的運行成本。因此,創(chuàng)建較為正確的地下傳熱模型是合理規(guī)劃地埋管換熱器的重點。因為地下傳熱的多變性,地埋管換熱器的傳熱模型鉆探是地源熱泵體系的

12、重點,同時亦是地源熱泵技術(shù)的焦點和應用核心。 由于地源熱泵本身的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢以及對我國氣候條件的適應性,地源熱泵的市場發(fā)展具有廣闊的空間。must strictly enforce the hot examination and approval system, holidays, hot work approval to be upgraded. (2) the fire operation, guardian and extinguishing equipment in place. (3) key parts person regulation: welding site: track

13、guardian, dangerous goods, warehouse: warehouse workers, dormitory: 1, the implementation of points of dormitory culture construction: construction, environmental health into the construction organization design, developed and civilized construction requirements, no rough construction, projects in a

14、ccordance with the construction programme of the department organize the implementation, followed by the project leader, the company . education or punishment. 1, corrective and preventative measures corrective measures: (1) by the project security officer in identifying causes, in the context of fi

15、ndings make recommendations for corrective and preventive actions. (2) under the present proposal, formulated by the security staff corrective measures, for examination and approval. (3) safety officers monitor the implementation of corrective measures, record the corrective measures process. 2, pre

16、ventive measures: (1) normal operation safety ensuring system integrity and is fundamental to prevention. (2) implementing a comprehensive, standardized management processes, staff, education workers and enhance awareness of self protection,29第二章 鉆孔外的傳熱模型在處理單孔傳熱問題上時,一個重要的分析模型就是以鉆孔壁為界,把所涉及的空間區(qū)域劃分為鉆孔外

17、的巖土部分和鉆孔內(nèi)兩部分,選用不一樣的簡化假定來進行分析。鉆孔外傳熱必須考慮巖土的蓄熱和放熱,采用非穩(wěn)態(tài)的傳熱模型進行分析研究。由于u型管深度(40-2oom)都遠大于鉆孔的直徑(0.-0.15m),因此鉆孔中的埋管都被看成一個線熱源或線熱匯,如圖2.1示。巖土均勻的熱性能，并且不隨溫度而變化的基礎(chǔ)上，該項目可以更加關(guān)注井壁溫度不同代表任何分析。溫差鉆孔壁溫度和鉆頭之間的電阻引起的，可以得到的管循環(huán)流體的進出口溫度隨時間的變化。圖2.1 u型埋管與簡化模型示意圖2.1 無線長線熱源模型地下管線被廣泛應用于傳熱模型ls1開爾文線源模型，設(shè)計大部分地源熱泵系統(tǒng)作為基礎(chǔ)理論的無限源泉。 1991 g

18、shpalv模型方法是標準的北美模型，以確定地下管換熱面積。該模型是無限長的線熱源作為鉆孔，地下巖石為半無限介質(zhì)，忽略鉆孔深度的影響，所以一維熱模型。傳熱過程中簡化條件如下:l)地下土壤溫度均勻;2)地下土壤熱物性是平均的,且不隨溫度的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變,具備常物性;3）忽略井孔的幾何形狀和熱容量，和鉆井約無限線源；據(jù)無限線源模型，從一開始線源與熱源周圍土壤釋放（或吸收）恒熱負荷時，熱傳導方程為： （2.1）其中,r為鉆孔半徑,;b為鉆孔壁半徑,a為土壤熱擴散率,ks為土壤導熱系數(shù),q口為單位鉆孔深度上的熱流密度,t0為土壤初始溫度。其土壤無量綱溫度分布為8: （2.2）從圖2.2中可以看出,g一函數(shù)

19、與對數(shù)時間成線性關(guān)系。說明了當時間趨于無限長時,介質(zhì)溫度場一直增加,不會趨于穩(wěn)定。圓柱面熱源模型假定鉆孔為無限長圓柱,土壤為無限大介質(zhì),其鉆孔周圍土壤溫度分布式為: （2.3）圖2.2 無限長線熱源模型g-函數(shù)2.2 有限長線熱源模型2.2.1 數(shù)學模型有限長熱源模型首先由eskilstuna19提出來的,maelstrom18,spitz,zeno,lamaistic等對有限長線熱源模型的理論創(chuàng)新和工程應用作出了重要的貢獻。有限線源模型的地面為界，地球作為一個半無限介質(zhì); 考慮軸向傳熱，埋管鉆井作為一個有限源的半無限介質(zhì)中，合理的解決方案決了地埋管換熱器長期傳熱的問題。豎直埋管鉆孔外傳熱分析

20、的有限長線熱源模型假定如下:l)土壤為半無限大均勻介質(zhì),在整個傳熱過程中土壤保持均勻熱物性并具有不變性;2)不計地表溫度上下浮動和埋管深度對土壤溫度的影響,當做土壤溫度均勻一樣,地表溫度等于大地開始溫度;邊界初始條件: （2.4）其中,h為鉆孔深度2.2.2 g-函數(shù)方法eskilstuna提出運用疊加原理的方法來求解該問題是要計算單孔，第一步熱通量（即恒熱流一定時間）在根據(jù)溫度響應的效果的壁鉆孔，一些打孔的響應于不同負載的溫度響應由一個單一的鉆孔溫度疊加步驟的熱的作用下得到。其單個鉆孔在階躍熱流作用下的鉆孔壁溫度響應為9:其單個鉆孔在階躍熱流作用下的鉆孔壁溫度響應為:后由hellbroths

21、和spiller相繼發(fā)展和應用這種方法,并形成了地源熱泵地埋管換熱器設(shè)計軟件eedi和holeproof17。但eskimoan克數(shù)值求解不同結(jié)構(gòu)形式克鉆一個函數(shù)獲取函數(shù)必須事先計算的函數(shù)g數(shù)據(jù)庫如glhepro數(shù)據(jù)庫的形成包含307克中的鉆孔結(jié)構(gòu)函數(shù)的形式，所以在工程應用程序有一些鉆孔結(jié)構(gòu)可以設(shè)計計算，缺乏彈性，具有一定的局限性,如圖2.3所示。 在周圍的階躍瞬態(tài)溫度響應的土壤其單埋管換熱效果是：（2.6）其中，圖2.3 虛擬熱源法原理示意圖在此基礎(chǔ)上他們還得出穩(wěn)態(tài)溫度場的解析表達式10,其無量綱形式為:（2.7）一般來說,地下埋管換熱器地下土壤溫度場達到穩(wěn)態(tài)一般需要至少20一40年,考慮穩(wěn)

22、態(tài)時間以及負荷的變化性,在地下埋管換熱器設(shè)計中一般不采用穩(wěn)態(tài)溫度場解析解來進行設(shè)計計算。 函數(shù)g中的任意深度步驟瞬態(tài)溫度響應的作用下單個鉆孔的熱流是：（2.8）2.2.3 鉆孔壁平均溫度及其g一函數(shù)（1）鉆孔壁中點溫度及其g一函數(shù)與孔壁溫的孔壁的中點溫度代表很方便，但在定義似乎有點隨意性。沿全部孔壁深度方位溫度的積分平均值當做孔壁代表溫度,這樣在傳熱計算中更為合理,即: （2.9）則單孔平均溫度的g一函數(shù)為: （2.10） lamar-che和beauchampi'6通過調(diào)換式(2.15)中積分次序并重新積分計算,得出了鉆孔平溫度的g一函數(shù)的新的一維積分形式。表達式如下: （2.11）

23、式(2.16)提高了平均溫度g一函數(shù)的計算速度,可以方便的應用于工程設(shè)計計算中,并在多篇參考文獻中11和應用。在本文中，采用不同的數(shù)學方法進行繪制新的孔中點的溫度，平均溫度是一個函數(shù)g的表達，這兩者都是一維的積分形式，并具有運算速度快，使之更準確地鉆孔ga的功能平均溫度可以迅速應用到地埋管換熱器的設(shè)計計算。2.3 有限長線熱源的改進解法由方程(2.11)可以看出,單孔任意深度無量綱溫度響應的g一函數(shù)在定義域(時間域)里連續(xù)光滑,故存在關(guān)于時間變量fo的偏導數(shù),然后對g一函數(shù)的偏導數(shù)進行積分計算,可得g-函數(shù)的另一種數(shù)學形式,進而計算出新的單孔和單孔鉆孔壁中點和平均溫度的g-函數(shù)。2.3.1 新

24、的單孔鉆孔壁中點溫度的g一函數(shù)g一函數(shù)關(guān)于時間變量fo的偏導數(shù)為: （2.12）且存在g(fo=0)=o,故可得任意深度的g一函數(shù)的新表達式: （2.13）由式(2.18)可得單孔中點（t=0.5)溫度的g一函數(shù):（2.14）2.3.2 新的單孔鉆孔壁平均溫度的g一函數(shù)對上式a、b、c三項進行積分計算,分別得出: （2.15）代入式(2.20),即得鉆孔壁平均溫度的g一函數(shù)關(guān)于fo的偏導函數(shù): （2.16）2.3.3 多孔鉆孔壁中點和平均溫度的g一函數(shù)我們使用eskilstuna(1987)建議的“g一函數(shù)”方式即疊加原理來運算。當存在n個鉆孔時,如圖2.4所示。圖2.4 平面布置的多鉆孔地埋

25、管換熱器2.3.4 有限長與無限長的線熱源模型數(shù)學關(guān)系 同樣，微分和積分方法，推導無限線熱源模型新·g·函數(shù)形式得： （2.17）第三章 鉆孔內(nèi)的傳熱模型鉆孔內(nèi)傳熱分析的核心,是要在給定傳熱量的條件下確定鉆孔內(nèi)熱阻,進而通過有鉆孔外傳熱模型得到的鉆孔壁溫度確定流體介質(zhì)進出口溫度。因此準確的計算鉆孔內(nèi)熱阻是鉆孔內(nèi)傳熱分析的關(guān)鍵。3.1 一維傳熱模型有兩種方式，一組塑料埋地管的一個作為u形井工程中常見的垂直u型換熱器的布局，稱為單u形管，如3.la表示;另一種是嵌在兩個u形塑料管鉆，稱為雙u型管，作為3.lb表示。a)單u型埋管 b)雙u型埋管圖3.1 豎直u型埋管換熱器示意圖

26、早期的鉆孔內(nèi)傳熱分析采用當量直徑法(bose 1955;gu和oneal 1998),其原理是鉆孔內(nèi)u型各支管假定為一根等效“當量管”,忽略鉆孔軸向傳熱,相應的鉆孔內(nèi)傳熱簡化為一維導熱模型。一維模型得到鉆孔內(nèi)熱阻為: (3.1)式中:為u型管內(nèi)流體對流換熱熱阻,；為u型管壁的導熱熱阻,；為u型管外壁到鉆孔壁的導熱熱阻,。a)u型管實際結(jié)構(gòu)示意圖 b)當量管簡化示意圖圖3.2 一維導熱模型示意圖3.2 二維傳熱模型對于實際的u形管結(jié)構(gòu)，u形管截面的熱傳導率是二維的，maelstrom u型鉆桿假定對稱設(shè)置的分支管中的孔中，并忽略流體傳導和對流管軸向鉆孔換熱器，熱的傳熱模型建立鉆孔的二維橫截面。設(shè)

27、定單u型管的2根支管的單位長度的熱流分別為q,和q3(w/m),對應的流體溫度分別為今支管之間中心距為zd,如圖3.3a所示。對單u管制冷工況模式下有: (3.2)對式(3.2)進行線性變換,得: (3.3)式中，在此二維模型中，沒有考慮在沿著流體的深度方向的歧管中的變化，分支管進一步假設(shè)在同一熱的溫度,即其中q為單位長度鉆孔總的熱量。故可以簡化為： (3.4)由此得到單u型埋管的二維傳熱鉆孔內(nèi)熱阻: (3.5)圖3.3 單雙u形管和u形管的傳熱條件可得雙u型埋管的二維傳熱鉆孔內(nèi)熱阻的分析解: (3.6) (3.7)3.3 準三維傳熱模型3.3.1 數(shù)學模型和管內(nèi)流體溫度分布 衡量轉(zhuǎn)型的軸向深

28、度和實際條件下的對流換熱流體溫度，鉆孔內(nèi)部的軸向?qū)嵯禂?shù)是可以忽略的，建立在hemelytron準三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型如下： (3.8) (3.9)方程(3.10)滿足單u新埋管和雙u型管并聯(lián)布置的鉆孔結(jié)構(gòu)形式。雙u型埋管串聯(lián)布置見文獻和教材13。上式由拉普拉斯變換得:(3.10)則可得流體出口無量綱溫度: (3.11)雙u型管平行排列，包括兩種形式1 - 2 ,3-4和1-3,2-4。 1-2表示循環(huán)液流入支管從第1號，第3號流出來的支管34示出了另一個流體通道，其余的是類似的。對1-2,3-41形式的雙u管,其無量綱熱阻參數(shù)和分別為: (3.12) (3.13)對1一2,3一4形式的雙u管,和

29、分別為: (3.14) (3.15)范軍14在準三維模型基礎(chǔ)上對“熱短路”現(xiàn)象做過詳細的討論。在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下,單u管出口無量綱溫度比雙u管的低,說明單u型管在土壤中溫差變化快。本文將在后面分析中取1一3,2-41作為雙u管并聯(lián)布置的代表形式。（m)r(m)h(m)d(m)(m)（m)m(kg)c(kg)0.0550.0161000.031.51.0.0.24187圖3.4 單u管和雙u管內(nèi)理論無量綱流體溫度3.3.2 鉆孔內(nèi)熱阻單u形地埋管換熱器，假設(shè)鉆井平臺的平均深度熱流q，流體入口和ti的出口溫度。能量守恒定律是： (3.16) (3.17)式中,表示流體平均溫度,一般情形下取管內(nèi)流體進

30、口溫度和出口溫度的算術(shù)平均值,即: (3.18)此單u管鉆孔熱阻可表示為: (3.19)雙u型管的平行排列，總井眼流體為zm，鉆孔熱阻: (3.20) (3.21)對雙u管,熱阻表達式為: (3.22)第四章 地埋管換熱器設(shè)計和模擬計算方法研究埋管換熱器的模擬是埋管換熱器的布置，埋管總長度和負荷條件下，井內(nèi)流體溫度隨時間變化的計算，確定性能和地源熱泵系統(tǒng)的能源消耗系數(shù)，進而對地源熱泵進行經(jīng)濟效益分析。4.1 流體溫度響應基本方程4.1.1 階躍熱流作用下流體溫度響應第二章鉆探使用的傳熱模型的概念，平均一個函數(shù)g，繪制一個井壁溫度步熱效應。其表達式為： (4.1)第三章鉆孔相結(jié)合的傳熱模型，埋管

31、換熱組的概念，流體的溫度的步驟，以得到的作用和鉆孔壁溫度與熱流的關(guān)系： (4.2)結(jié)合（4.1）中被合并和（4.2），加熱流體的溫度階躍響應的作用下獲得： (4.3) 可以確定單雙u型管中的流體熱流一步統(tǒng)一表達的出口溫度： (4.4) 等式（4.3）和（4.4）可被用來計算一個單一鉆井流體的溫度，本文應用通用公式（4.3）進行了計算。4.1.2 變負荷作用下流體溫度響應地源熱泵運行實際熱流量不是恒定的，而是沿襲了建筑物的負荷變化。因此，當用可變負荷的問題處理，引入的矩形脈沖熱的概念。熱可以用在一個連續(xù)的矩形脈沖熱流系列(i=l,2,)近似，和，如圖4.1所示。圖4.1 用脈沖熱流近似連續(xù)變化的

32、熱流由公式(4.1)已知地埋管換熱器的單個鉆孔壁在階躍熱流作用下的溫度響應,利用g一函數(shù)方法即疊加原理可以得到單個鉆孔壁在變負荷作用時刻的溫度14: (4.5)公式（4.5）計算任何單一鉆孔地埋管換熱器壁面溫度響應負載的變化。因此，可以在一臺可變負載任何一匹馬鉆井液溫度響應時間的作用下得到：對于多個鉆孔的情況,其某一鉆孔的流體溫度響應采用多鉆孔平均g一函數(shù)(見公式2.25)代入公式(4.6)即可算出: (4.6)4.1.3 流體溫度響應計算方法目前,逐時計算方法在地源熱泵系統(tǒng)中應用越來越廣泛。逐時計算即采用時間步長:為1小時進行地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和模擬計算,是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計和分析的重要組成部

33、分。目前流體溫度響應大部分的快速算法都是以圓柱/線熱源模型(g/g一函數(shù))為基礎(chǔ)的“集合負荷算法”(aggregate。algorithmically)。介turku和spitcher16提出了“最小歷史時“的方法。bemieri371在此基礎(chǔ)上提出了“多負荷集合算法”15(multigenerational),其中歷史負荷分別進行逐年平均、逐月平均和逐日平均計算。4.2 流體溫度響應新計算方法4.2.1 流體溫度響應新方程如圖4.2所示。由此可以直接得到任一作用時間在之間的矩形脈沖熱流作用下的幾時刻單個鉆孔壁溫度響應:a)矩形脈沖熱流 b)階躍脈沖熱流 c)階躍脈沖熱流圖4.2使用兩步熱通量

34、疊加得到矩形脈沖熱流 定義的時間間隔脈沖井壁無量綱溫度熱響應功能的影響 - f函數(shù)：(4.7) 特別是，負荷的不斷變化，流體響應于所述溫度：以新的流體溫度響應是卷積方程的形式相同的方程，用基本方程相比，主要區(qū)別在于一個函數(shù)下的熱效應f-脈沖熱流，而不是步驟g的函數(shù)。4.2.2 部分負荷計算方法 新方程仍然是流體溫度響應卷積形式疊加計算出f函數(shù)也需要重新計算，但f函數(shù)的積分間隔是固定的平均克積分間隔的函數(shù)。長期每小時計算，新的方程可以應用于改善計算速度，但計算仍然是費時圖4.3表示為時間間隔t=lh,時間區(qū)間t=l年的af-函數(shù)。圖4.3 單鉆孔f-函數(shù)從圖4.3中可以看出,f-函數(shù)衰減很快,并

35、且一段時間之后,f-函數(shù)迅速趨近,并計算知當時間t之1000h時,f(t)。因此,在流體溫度響應計算中,可忽略t>100oh的脈沖負荷的影響。因此,得到流體溫度響應新計算方程: (4.8)選擇時間t=1000(小時),當時間j1000時,公式(4.16)逐項疊加計算;而當時間t>1000時,僅需對脈沖負荷作用下的溫度響應疊加計算。其中溫度響應關(guān)系式: (4.9)如可以從公式（4-20）可以看出，只要合理控制的一個函數(shù)h的準確性，我們可以精確地計算出的傳熱流體溫度的響應時間每次計算方法的垂直換熱器，從而消除了不計算一系列脈沖負載的溫度響應的影響下采取行動，并且通過精度要求的函數(shù)h的可

36、確定相應的部分負荷時間t，所以通過精確計算所施加的負載計算方法的一部分。公式表明,h一函數(shù)為增函數(shù);與f-函數(shù)相同,一段時間后,h-函數(shù)迅速趨近于0,如圖4.4所示。圖4.4 單鉆孔h-函數(shù) 鉆孔精度具有相同的多功能單h的鉆井要求，需要計算出一個合適的部分負荷不同鉆井時間n。本文主要考慮兩個和四個鉆井條件。對于兩個鉆孔間距流明，并且1年通過仿真，其負載時間t=3976h一部分;二十年的模擬，其加載時間t12672h的一部分;對于兩個鉆孔間距分米，和它的一些加載時間為t =3678h和t=12367h;四個鉆孔間距流明，當升進行了模擬其部分負荷時間t=5616h。結(jié) 論目的是確定地下?lián)Q熱器是否經(jīng)

37、濟合理和運行地源熱泵系統(tǒng)應用的可靠性。合理的設(shè)計，以保持地源熱泵在良好的工作狀態(tài)，地埋管換熱器，以減少安裝和運行的整個系統(tǒng)生命周期的初始投資成本的費用。因此，建立一個更為精確和準確的地下傳熱模型是設(shè)計地埋管換熱器的焦點。由于地下熱的復雜性，地埋管換熱器傳熱模型是鉆地源熱泵系統(tǒng)，也是地源熱泵技術(shù)，利用蒂的焦點的難度。通過熱交換器管傳熱模型研究了，換熱器，地源熱泵系統(tǒng)，降低生命周期成本和推廣有一定的作用的技術(shù)應用的設(shè)計和仿真得出更快速，準確的方法。通過本文的傳熱理論研究和計算方法研究,得出以下結(jié)論:1.發(fā)展了建立于系列解析解和重疊機理的地埋管換熱器傳熱分析剖析。確立了地埋管換熱器傳熱模型,求得了各

38、部分傳熱過程的解析解,該解析解接近工程實際,具有很高的精度,可以直接應用于地埋管換熱器的設(shè)計和模擬計算中,具有較大的理論意義與應用價值。2.建立了有限長線熱源模型的改進解洲并求得有限長線熱源模型瞬態(tài)溫度響應的新解析解形式。得到鉆孔壁代表溫度平均溫度的一維積分解析式,該解析式計算快捷,可以直接應用于工程設(shè)計中,從而避免了采用中點溫度為鉆孔壁代表溫度所造成的地埋管換熱器長度設(shè)計偏大的問題。在此基礎(chǔ)上運用疊加原理即g一函數(shù)方法分析多個鉆孔(2和4鉆孔)的傳熱問題。結(jié)論表明,對于工程常用的鉆孔間距(3m-6m),不可忽略鉆孔間的熱流影響,不宜簡化為單個鉆孔計算。3.運用新的流體平均溫度分析鉆孔內(nèi)熱阻。

39、采用準三維傳熱模型分析鉆孔內(nèi)一流體溫度分布及熱阻,并考慮流體平均溫度對鉆孔內(nèi)的熱阻的影響;對單u型埋管,采用對數(shù)流體平均溫度計算鉆孔內(nèi)熱阻,對并聯(lián)布置雙u型埋管,采用幾何流體平均溫度計算鉆孔內(nèi)熱阻,并分別與準三維模型采用的流體算術(shù)平均溫度計算的單u管和雙u管鉆孔內(nèi)熱阻進行對比。4.隨著理論研究，設(shè)計和仿真的結(jié)果，建立一個垂直埋管換熱器。的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與仿真計算的重要組成部分每小時流體的溫度響應。創(chuàng)建基于流體溫度的新的反應方程，迅速建立通過計算加熱脈沖的方法的基礎(chǔ)上， - 計算部分負荷，即部分負荷只響應于溫度疊加計算結(jié)果表明，該流體的溫度在響應負載的變化。為了減少計算量時錯誤，定義的一部分。

40、部分負荷負荷計算方法確定的時間相鄰的一個重要組成部分，建立啊哈功能合理確定負荷通過控制溫度精度之間的脈沖響應函數(shù)h偏載時間之間的關(guān)系。由于研究時間的限制,本文課題還存在有待進一步研究和解決的問題:1.地埋管換熱器傳熱模型的研究只考慮涉及地下水流對流換熱情況下，純粹的熱傳導問題的無代價;不考慮斜管的傳熱模型。上述情形均可利用線熱源模型進行分析,因此,可用本文提出的改進解法的數(shù)學方法對其進行分析和處理,形成新的結(jié)論。2.本文模型主要是反映豎直埋管長期傳熱模型,對短時間內(nèi)傳熱模型(小時以內(nèi))沒有進行研究。3.在豎直埋管換熱器模型的基礎(chǔ)上,可以建立整個地源熱泵系統(tǒng)模型,實現(xiàn)對整個地源熱泵系統(tǒng)進行能耗模

41、擬計算和經(jīng)濟效益分析;還可以研究地源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)特性,從而可進行地源熱泵系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)的研究。這兩方面是值得研究的重點。4.在上述理論研究成果的基礎(chǔ)上,建立準確的地埋管換熱器的設(shè)計和模擬計算方法。通過疊加脈沖熱流溫度響應得到流體溫度響應新方程,并在此基礎(chǔ)上確立快速的逐時計算方法部分負荷計算方法。應用該方法對豎直埋管換熱器進行逐時模擬計算,并與全負荷計算方法進行比較。結(jié)果表明,針對三種不同結(jié)構(gòu)鉆孔的1年和20年逐時模擬,最大誤差分別為1.8和2.4,該精度水平完全滿足地埋管換熱器的逐時模擬要求,表明部分負荷計算方法是合適的快速逐時計算方法。5.由于本文得到是傳熱問題的解析解,應用靈活。因此,在此理論基礎(chǔ)上,可形成地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計和模擬的應用軟件,從而為推廣地源熱泵技術(shù)做出貢獻。參考文獻1 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)m.北京:高等教育出社,2006,57-582 刁乃仁,曾和義,方肇洪.豎直u型管地熱換熱器的準三維傳熱模型j.熱能動力工程,2003,8 (4):6-113 曾和