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土壤源热泵垂直U型管周围土壤温度场的模拟研究

作　者: 吴建坤
导　师: 张晓明
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 土壤源热泵地下埋管换热器数值模拟经济分析
分类号: TU831.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 171次
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内容摘要

与传统空调系统相比,土壤源热泵空调系统利用土壤作为冷热源,通过地下埋管中的循环流动介质与土壤进行热量交换,进而由热泵实现对建筑物的供冷或者供暖。土壤源热泵空调系统是一种利用可再生能源,具有节能和环保特点的新技术。以其适用范围广、性能稳定、换热效率高等优势越来越受到人们的关注。本文针对土壤源热泵地下垂直U型埋管,建立了周围土壤的非稳态温度场的数学模型,并利用MATLAB软件进行求解。通过对夏季制冷工况的模拟,得到了埋管周围土壤温度场随着时间的变化规律、不同岩土导热系数对地下换热器周围土壤温度场的影响,不同的埋管管径及不同的热流密度对地下换热器传热性能的影响,为土壤源热泵系统长期高效运行提供了理论参考。模拟结果表明,随着热泵不断的运行,埋管周围土壤热作用半径逐步扩大,当热泵运行10h时土壤热作用半径为0.48m,热泵运行720h时,土壤热作用半径为3.5m。在热泵运行相同时间条件下,随着土壤导热系数的增大,土壤热作用半径也增大,埋管周围土壤温度逐渐降低。在热泵运行10h时,土壤导热系数为λ=1.43W/m·℃,埋管周围土壤温度为23.3℃;导热系数为λ=2.3W/m·℃,埋管周围土壤温度只有21℃。从而可以看出导热性能好的回填材料有利于聚积在埋管周围热量的散失。通过25mm、32mm、40mm三种不同埋管管径对土壤温度场的模拟,结果表明:随着埋管半径的增大,热作用半径变化不大,但埋管周围土壤温呈增大趋势。通过Q=35W/m、Q=40W/m、Q=45W/m三种不同热流密度对土壤温度场的模拟,结果表明:随着热流密度的增大,热作用半径呈增大的趋势,埋管周围土壤温度也逐渐增大。结合实际工程,以燃油锅炉+冷水机组空调系统与土壤源热泵空调系统为例,验证了土壤源热泵空调系统的经济性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-18
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 地源热泵空调系统的分类及特点  9-11
    1.2.1 地源热泵系统的分类及各自优点  9-10
    1.2.2 土壤源热泵系统特点  10
    1.2.3 土壤源热泵系统原理  10-11
  1.3 地源热泵的发展  11-14
    1.3.1 国外地源热泵发展  11-13
    1.3.2 国内地源热泵发展  13-14
  1.4 埋管换热器周围温度场研究现状  14-16
  1.5 研究现状小结和本文要做的主要内容  16-18
    1.5.1 研究现状小结  16-17
    1.5.2 本文研究的主要内容  17-18
第二章埋管换热器与土壤换热理论基础  18-26
  2.1 土壤热物性  18-20
  2.2 土壤温度变化规律  20-22
    2.2.1 土壤原始温度的状况分析  20-21
    2.2.2 土壤温度变化规律  21-22
  2.3 埋管周围温度场的理论基础  22-25
    2.3.1 埋管传热模型  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章单U 型埋管周围土壤温度场的数值模拟  26-50
  3.1 软件介绍  26-34
    3.1.1 MATLAB 简介  26-27
    3.1.2 埋管周围土壤温度场的PDETOOL 解法  27-34
  3.2 建立U 型管周围温度场的模型及数值求解  34-37
    3.2.1 物理模型  34
    3.2.2 数学模型  34-37
  3.3 传热模型数值求解  37-38
  3.4 单U 型管数值模拟结果与分析  38-49
    3.4.1 埋管周围土壤温度场随着时间的变化  38-41
    3.4.2 不同导热系数对埋管周围土壤温度场的影响  41-44
    3.4.3 不同管径对埋管周围土壤温度场的影响  44-46
    3.4.4 不同热流密度对埋管周围土壤温度场的影响  46-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章管群周围土壤温度场的数值模拟  50-58
  4.1 建立U 型埋管管群周围温度场的模型  50-51
    4.1.1 管群物理模型  50-51
  4.2 夏季数值模拟结果与分析  51-54
  4.3 冬季数值模拟结果与分析  54-56
  4.4 本章小结  56-58
第五章土壤源热泵系统经济性分析  58-62
  5.1 工程介绍  58
  5.2 工程经济分析  58-60
    5.2.1 系统初投资费用的比较  58-59
    5.2.2 系统运行费用的比较  59-60
  5.3 方案比较  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章结论与展望  62-64
  6.1 结论  62
  6.2 展望  62-64
参考文献  64-67
作者简介  67
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  67-68
致谢  68-69

土壤源热泵垂直U型管周围土壤温度场的模拟研究

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