垂直深埋U型管大地耦合式地源热泵冬季实验研究与三维数值模拟

摘要

地源热泵作为一项高效节能、绿色环保型的空调技术，在国外已成为一种广泛采用的供热空调方式，而在国内正处于研究和应用推广阶段，有着巨大的发展潜力。垂直深埋U型管式地源热泵以其占地面积少、可用范围广、灵活性较高、恒温效果好、换热效率高、维护费用很低等众多优势，日益流行。本文在第一章对地源热泵系统的原理、构造、特点以及近年来垂直深埋U型管地下传热计算模型的发展进行了较为系统的阐述，并介绍了几种典型的传热模型。 本文围绕50m垂直深埋U型管地源热泵冬季运行这一研究主题，进行了为期一个月的原始地温测试和长达三个月的供热运行测试。分析了地温测试结果反映的规律，并结合前人的相关文献资料总结了重庆地区原始地温计算式。为了研究埋地U型管在不同流量和不同运行工况下的换热特性，采用多流量变工况对系统进行测试。 按照运行工况的不同共分为四个测试阶段，第一～三阶段为昼停夜开间歇运行工况，热泵启停比5：7，埋管水流量分别为700L/h、750L/h、600L/h。测试结果表明，在埋管水流量等于750L/h时的系统制热效率最高，平均单位井深换热量为57.64w/m，系统供热性能系数达4.10w/w。第四阶段采用750L/h的埋管水流量进行全天间歇运行，热泵启停比5：7；结果表明，地下换热量随运行时间的延长逐渐下降，该阶段平均单位井深换热量46.23w/m，系统供热性能系数3.49w/w。 根据测试数据反映的规律，对埋管的热短路现象进行了分析，从第一～四阶段由于系统累计运行时间的增长，热短路现象渐趋明显，由2.0％增大至7.1％。 以微元控制容积的热量平衡原理为基础，建立了三维瞬态传热模型，模拟计算结果与实验测试结果吻合较好，验证了模型的准确性和可行性。 利用传热模型模拟了埋管内流体及周围土壤在不同深度和不同工况下的温度场，用MATLAB6.1软件生成了等温线图，从图中可以直观的看出埋管周围土壤的温度分布以及热作用半径的变化规律。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题的提出

1.2地源热泵的原理及分类

1.2.1基本结构

1.2.2地源热泵的分类

1.3地源热泵的特点

1.4地源热泵的发展历史

1.5国内外研究与应用现状

1.5.1国外

1.5.2国内

1.6地下换热器传热计算模型的发展

1.6.1主要的理论基础

1.6.2典型模型介绍

1.7本文研究的目的和研究内容

2实验装置简介及误差分析

2.1实验台建设与装置介绍

2.1.1系统简介

2.1.2实验测试系统简介

2.2实验误差分析

2.2.1温度测量误差

2.2.2流量测量误差

2.2.3地下换热量间接测量误差

3实验数据整理与分析

3.1数据处理方法

3.2实验数据整理与分析

3.2.1原始地温测试

3.2.2多流量变工况间歇联合运行测试

3.2.3热短路分析

4垂直深埋U型管地下传热模型及三维数值模拟

4.1概述

4.2地温特性及原始地温的确定

4.2.1地温特性分析

4.2.2原始地温分布

4.3传热模型介绍及计算结果分析

4.3.1模型建立的原理

4.3.2网格划分

4.3.3模型假设

4.3.4数学描述

4.3.5定解条件

4.3.6输入参数的确定

4.3.7计算方法简介

4.3.8计算程序流程框图

4.3.9计算结果分析

5结论与展望

5.1主要结论

5.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献