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地热换热器传热模型和设计计算的进一步研究

作　者: 林芸
导　师: 方肇洪
学　校: 山东建筑大学
专　业: 工程热物理
关键词: 地源热泵地埋管换热器传热模型水平螺旋埋管代表性钻孔地下水渗流
分类号: TU831.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,国家正在全力建设环境友好型、资源节约型的社会,节能减排成为一项重要的举措,地源热泵这种环保节能的新型空调系统得到了国家的大力扶持。地埋管地源热泵系统在中国的大规模推广应用受到三个因素的制约,即初投资较高、地埋管的占地面积以及系统全年冷热负荷不平衡的问题。本文就针对初投资较高提出了两项措施,一是在适当的条件下采用水平螺旋埋管换热器代替竖直埋管换热器,二是在“地热之星”计算软件的基础上进一步优化地热换热器的设计计算方法。首先,提出了适合工程设计计算的水平螺旋埋管换热器的传热模型。该模型以无限大介质中的一维非稳态传热为基础,同时考虑水平埋管密度的影响以及长期平均负荷和短期脉冲负荷的不同作用。根据该传热模型编写应用软件,使用者输入参数即可计算所需要的埋管容量。在此基础上讨论了主要的设计参数,如单位面积埋管量和土壤的热物性对水平螺旋埋管换热器的影响。结合一工程实例,计算了在一定的埋管布置形式下埋管的设计容量,并针对所需要的占地面积、埋管长度、系统的初投资情况和竖直埋管换热器进行了比较。其次,改进“地热之星”计算软件中对多钻孔换热器的设计计算方法,提高设计和模拟计算的准确性。原有的方法采用最不利钻孔的温升作为整个换热器的温升来计算,对于大型的地埋管换热器可能造成较大的偏差。本文提出了采用代表性钻孔代替最不利钻孔来进行设计计算；提出均方差系数的概念,讨论分析了多个钻孔换热器各个钻孔之间的不平衡性；计算了最不利钻孔的温升与换热器平均温升的相对差值,阐明了寻找代表性钻孔的必要性。通过计算多种不同矩阵型布置的地埋管换热器中各个钻孔的温升,找到最有代表性钻孔的位置,并总结出一定的规律,以推广应用于其他更一般的情况。最后,分析讨论了地下水渗流对地埋管换热器传热的影响。当地下水流向与钻孔矩阵布置不平行时,通过实现钻孔区域温度场叠加,绘制了已知埋管布置形式在一定流向下的等温线族,并将其做成随时间变化的动画。然后,主要讨论了渗流流向、渗流流速、钻孔间距、钻孔的排列形式对换热器平均温升和钻孔不平衡性的影响。同时,讨论了变负荷工况下,有地下水渗流的换热器的温升,以月为时间间隔,计算了钻孔壁和循环液的月平均温度,分析比较了不同的流速对钻孔壁和循环液月平均温度的影响,并和无渗流情况进行了比较。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 引言  11
  1.2 地源热泵系统空调系统简介  11-14
    1.2.1 地源热泵工作原理  11-12
    1.2.2 地源热泵分类  12-14
    1.2.3 地埋管布置形式  14
  1.3 水平埋管换热器国内外研究现状  14-15
  1.4 地下水渗流对地埋管换热器影响的研究现状  15-18
  1.5 本课题研究背景及内容  18-20
    1.5.1 研究背景  18-19
    1.5.2 研究内容  19-20
第2章水平螺旋埋管换热器的传热模型的研究  20-34
  2.1 引言  20-21
  2.2 水平螺旋埋管传热模型  21-26
    2.2.1 土壤温度的分布  21-22
    2.2.2 平面热源传热模型  22-23
    2.2.3 从管内流体到热源平面的传热  23-25
    2.2.4 埋管内流体的进出口极值温度  25
    2.2.5 负荷简化传热模型  25-26
  2.3 工程实例分析  26-32
    2.3.1 工程概况  26-27
    2.3.2 计算结果  27-28
    2.3.3 和竖直钻孔埋管的比较  28
    2.3.4 参数的影响分析  28-32
  2.4 本章结论  32-34
第3章地埋管换热器代表性钻孔的选择  34-48
  3.1 引言  34-35
  3.2 钻孔之间的不平衡性  35-39
    3.2.1 均方差系数表示不平衡性  36-37
    3.2.2 最不利钻孔与平均值的差异  37-38
    3.2.3 排布方式对钻孔不平衡性的影响  38-39
  3.3 代表性钻孔的选择  39-45
  3.4 钻孔间距的影响  45-47
  3.5 结论  47-48
第4章有地下水渗流的地埋管换热器传热模型  48-68
  4.1 引言  48
  4.2 二维数学模型  48-50
    4.2.1 温度解析解  48-49
    4.2.2 钻孔壁的平均温度  49-50
  4.3 多钻孔地埋管换热器的温度分布  50-53
  4.4 地埋管换热器温升的讨论  53-56
    4.4.1 各个钻孔的温升  53-54
    4.4.2 渗流流向对温升的影响  54-55
    4.4.3 渗流流速对温升的影响  55-56
    4.4.4 钻孔间距对温升的影响  56
  4.5 地下水对钻孔温升不平衡性的影响  56-58
  4.6 排列形式的影响  58-61
  4.7 变负荷工况下的温度响应  61-62
  4.8 使用钻孔内传热的模型计算地热换热器相应的出水温度  62-64
  4.9 计算实例  64-67
  4.10 本章小结  67-68
第5章结论与展望  68-71
  5.1 结论  68-69
  5.2 展望  69-71
参考文献  71-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间发表的学术论文  74

地热换热器传热模型和设计计算的进一步研究

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