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地源热泵U型竖直埋管传热过程的模型构建及数值模拟

作　者: 赵飞
导　师: 褚宝增
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 应用数学
关键词: 地源热泵岩土热物性实验传热模型 PDETOOL数值模拟
分类号: P314
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地源热泵技术是利用低品味但蕴藏丰富的浅层地热能,在夏季通过空调系统和换热埋管把热量传递到埋管周围的土壤,冬季则从埋管周围土壤中吸收热量,是一种清洁可再生的能源利用方式。在能源危机和全球气候变化的影响下,各国逐渐重视使用地源热泵,实现了大规模商用,取得了良好的经济和环保效益。90年代地源热泵技术在我国也得到了蓬勃发展。在地源热泵技术中,U型竖直埋管传热模型的构建以及传热过程的数值模拟一直是工程应用的理论基础和重点难点。本着工程实用的原则,本文开发了热物性参数求解和工程设计计算的VB程序,对钻孔孔内建立了准三维稳态传热模型,对钻孔外建立了二维有限长线热源模型。对几何配置已知,回填料导热系数较好的竖直埋管装置进行了数值模拟,并用实验数据进行了验证。首先,本文做岩土热响应实验。测得岩土初始温度为14.8℃,利用测试车数据回归分析得到岩土平均热导率为1.58w/mk。利用自己开发的VB程序结合《地源热泵系统技术规范》中的设计计算方法,可以方便直观的求出相应的热物性参数及工程设计计算结果。其次,以钻孔壁为界,分别建立钻孔内的准三维稳态导热模型以及钻孔外的非稳态二维有限长线热源导热模型。再其次,确定埋管传热模型的模拟方法。本着工程实用的原则,简化模型条件,确定在两个典型深度(3米和20米)的径向用二维恒热流导热模型的数值化方法,结合MATLAB PDETOOL工具对传热过程进行数值模拟。对单U,在热流密度为q=402w/m~2时,运行300小时后,3米深度热影响半径为3.84m,20米深度热影响半径为3.61米。在热流密度为q=443.89w/m~2时,运行300小时后,3米深度热影响半径为4.13米,20米深度热影响半径为4.06米。最后应用实验测得数据对模拟结果进行验证。通过对双U在3米深度和20米深度埋管径向1米、2米、3米处温度数据对比可知,模拟数据比实验数据偏小,但都在6%到7%之间,是数值模拟条件简化的结果。因此应用模型数据结果并进行修正可以得到较满意的结果。

地源热泵U型竖直埋管传热过程的模型构建及数值模拟

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