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土壤源热泵地下温度场分析的有限元线法

作　者: 任晓丽
导　师: 王晓纯；白玉星
学　校: 北方工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 土壤源热泵 地下温度场 传热模型 有限元线法 COLSYS
分类号: TU83
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 167次
引　用: 3次
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内容摘要


土壤源热泵空调系统是利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋于地下的封闭环路中循环流动,与土壤进行热交换,进而由热泵实现对建筑物的制冷或供暖。土壤源热泵因其显著的节能和环境保护效益,在国内外日益受到重视。但是,我国对土壤源热泵系统的研究,仍然处于起步阶段,尚无成熟的设计规范和运行经验的总结。本文是在北京市可持续发展基金的支持下,首次将有限元线法引入到温度场的分析中,用有限元线法对土壤源热泵地下温度场进行了分析计算。本文课题组完成了一个地源热泵的样板工程,采用了双U型垂直埋管地下换热系统,跟踪记录了该工程一个冬季取暖期的运行记录,积累了冬季地下埋管系统中水温随运行时间的变化情况。这些数据为土壤源热泵的设计研究提供了参考作用。本文首先对影响传热的各种因素进行了分析,对传热模型进行了探讨研究,确定了本文所采用的传热模型。并分析了温度场的特点及边界条件,用分离变量法给出了二维稳态温度场的解析解,并作为有限元线法计算结果的校核依据。本文以a×b单元为例,说明了将有限元线法应用于温度场的理论分析过程,得到了一组常微分方程组及其边界条件。然后说明了常微分方程求解器—COLSYS的使用范围,求解功能及使用方法,并对其精确性进行了验证,计算结果表明COLSYS的计算精度完全满足有限元线法的要求。最后用COLSYS对所得到的常微分方程组和边界条件进行了求解,然后与分离变量法得到的解析解进行对比。计算结果的对比表明,有限元线法可应用于温度场的分析计算,且计算精度高,解答令人满意。论文将本文的计算方法应用到实际的工程中,建立了简化模型,对上苑公寓土壤源热泵地下温度场进行了计算,通过计算结果与实际情况的对比可以看出,有限元线法的计算结果反映了地下换热器的传热规律。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 土壤源热泵的原理及分类  10-14
    1.2.1 土壤源热泵的工作原理及基本结构  10-11
    1.2.2 土壤源热泵的特点  11-12
    1.2.3 土壤源热泵分类  12-14
  1.3 国内外土壤源热泵的发展和现状  14-17
    1.3.1 国内土壤源热泵的发展和现状  14-15
    1.3.2 国外土壤源热泵的发展和现状  15-17
  1.4 传热学的数值方法  17-18
  1.5 本课题的主要研究工作  18-19
2 工程实例  19-26
  2.1 工程介绍  19
  2.2 试验装置和环境  19-23
    2.2.1 试验装置  20-22
    2.2.2 试验环境  22-23
  2.3 试验记录  23-26
3 地下传热过程的数学模型  26-39
  3.1 土壤特性描述  26-28
    3.1.1 土壤的组成成分及导热系数  26-27
    3.1.2 土壤的温度变化情况  27-28
  3.2 地下温度场的传热模型  28-38
    3.2.1 基于线理论的传热模型  28-31
    3.2.2 基于柱理论的传热模型  31-36
    3.2.3 基于数值解法的传热模型  36-38
  3.3 本文采用的模型方法  38-39
4 用矩形有限元线法分析二维稳态温度场的计算过程  39-74
  4.1 温度场的数学模型  39-44
    4.1.1 温度场的特点及分类  39
    4.1.2 导热基本定律  39-41
    4.1.3 温度场的边界条件  41-42
    4.1.4 第一类边界条件下平面稳定温度场的变分  42-43
    4.1.5 第二类边界条件下平面稳定温度场的变分  43-44
  4.2 二维稳态导热的解析解  44-49
    4.2.1 分离变量法  44-49
  4.3 温度场计算的有限元线法模型  49-56
    4.3.1 有限元线法  49-50
    4.3.2 FEMOL离散化  50
    4.3.3 温度插值函数  50-51
    4.3.4 a×b单元的有限元线法模型  51-54
    4.3.5 单元温度函数矩阵集成(ODE体系)  54-55
    4.3.6 给定结线温度的处理  55-56
  4.4 数值算例  56-64
  4.5 工程算例  64-74
    4.5.1 模型简化及计算过程  64-67
    4.5.2 求解结果  67-74
5 有限元线法程序系统  74-80
  5.1 ODE求解器  74-78
    5.1.1 COLSYS求解问题与范围  74-75
    5.1.2 COLSYS求解功能  75
    5.1.3 COLSYS使用方法  75-76
    5.1.4 COLSYS精确性验证  76-78
  5.2 有限元线法程序的结构  78-79
  5.3 有限元线法程序的功能  79
  5.4 有限元线法程序的特点  79-80
6 结论与展望  80-82
  6.1 主要的研究结论  80-81
  6.2 有待进一步开展的研究工作  81-82
参考文献  82-86
附录: 有限元线法程序  86-101
在学研究成果  101-102
致谢  102

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 房屋建筑设备 > 空气调节、采暖、通风及其设备
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