地源熱泵地埋管換熱機(jī)理及其熱物性參數(shù)估算方法研究.pdf

1、隨著能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，地源熱泵作為可再生能源技術(shù)的代表受到了全世界的關(guān)注。對(duì)于一個(gè)確定的地源熱泵系統(tǒng)，土壤與回填土熱物性參數(shù)是核心參數(shù)，它決定了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性。為估算土壤與回填土的熱物性參數(shù)，實(shí)地?zé)犴憫?yīng)測(cè)試是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的一步。本文主要針對(duì)目前實(shí)地?zé)犴憫?yīng)測(cè)試中所暴露的是循環(huán)流體溫度分布假設(shè)不準(zhǔn)確、地下?lián)Q熱模型不精確以及迭代優(yōu)化算法不適合等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，開(kāi)發(fā)了一套能夠同時(shí)預(yù)測(cè)土壤與回填土熱物

2、性參數(shù)的估算方法，更新了熱物性參數(shù)估算過(guò)程中流體溫度分布的假設(shè)，提出了一種新的能適應(yīng)全生命周期響應(yīng)的瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)模型，優(yōu)化了迭代算法，并分析了鉆孔內(nèi)熱阻估算誤差對(duì)地源熱泵系統(tǒng)初投資以及總投資的影響。
　　首先，針對(duì)流體溫度假設(shè)不準(zhǔn)確導(dǎo)致鉆孔內(nèi)熱阻偏差較大的問(wèn)題，本文提出了動(dòng)態(tài)p線性平均方法，利用非線性擬合的方法改善了傳統(tǒng)方法中循環(huán)流體溫度分布假設(shè)為線性分布的缺陷。通過(guò)湖南大學(xué)孵化中心實(shí)地測(cè)試，動(dòng)態(tài)p平均方法估算出的鉆孔內(nèi)熱

3、阻比傳統(tǒng)方法的估算值低了6.31％。經(jīng)過(guò)誤差分析，動(dòng)態(tài)p線性平均方法的最大誤差為3％，而傳統(tǒng)估算方法的最大誤差為40.69％。此外，針對(duì)動(dòng)態(tài)p線性方法物理意義較弱的特點(diǎn)，本文通過(guò)將理論流體溫度分布函數(shù)改寫(xiě)為流體進(jìn)出口溫度的函數(shù)的方法，改進(jìn)了p線性平均方法，提出了改進(jìn)型動(dòng)態(tài)p線性平均方法。利用能夠測(cè)試出流體溫度分布的分布式熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，本文驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)p線性平均方法與改進(jìn)型p線性平均方法均是有效的熱物性參數(shù)估算方法。
　　其次，為適應(yīng)估

4、算地埋管內(nèi)回填土的熱物性參數(shù)與地源熱泵系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)的能耗及性能分析的需求，本文分別開(kāi)發(fā)了適用于恒定熱流與變熱流條件的瞬態(tài)換熱模型。與常規(guī)瞬態(tài)換熱模型將地埋管中U型管簡(jiǎn)化為當(dāng)量管不同的是，本模型對(duì)U型管的進(jìn)水管與出水管分別建模，同時(shí)引入測(cè)試鉆孔內(nèi)熱阻改進(jìn)了鉆孔結(jié)構(gòu)不確定而造成誤差的計(jì)算瞬態(tài)鉆孔內(nèi)熱組。以沙箱實(shí)驗(yàn)為例，本模型對(duì)于流體進(jìn)出口溫度與土壤溫度分布的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差均在5％以下。如果以流體溫度預(yù)測(cè)誤差在0.5℃以下作為預(yù)測(cè)精度達(dá)到要求，

5、則本模型的響應(yīng)時(shí)間為45分鐘，滿足目前大部分地源熱泵系統(tǒng)控制響應(yīng)時(shí)間要求。同時(shí)，在恒定熱流瞬態(tài)換熱模型的基礎(chǔ)上，本文利用杜哈梅爾疊加方法在時(shí)間上疊加各個(gè)變熱流階段熱流所產(chǎn)生的溫度響應(yīng)，開(kāi)發(fā)了變熱流下瞬態(tài)換熱模型。為簡(jiǎn)化疊加過(guò)程的重復(fù)循環(huán)，本文采用快速傅里葉方法進(jìn)行流體溫度分布與鉆孔周圍土壤溫度分布的計(jì)算。通過(guò)河北工程大學(xué)內(nèi)間歇運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文驗(yàn)證了變熱流計(jì)算條件下瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)模型所預(yù)測(cè)的流體進(jìn)出口溫度以U型管管壁溫度。結(jié)果顯示

6、，對(duì)于流體進(jìn)出口溫度與U型管管壁溫度，除了在熱流變化的1-2小時(shí)之內(nèi)，其余時(shí)刻的溫度預(yù)測(cè)相對(duì)誤差均在5％以內(nèi)。
　　最后，本文將瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)模型應(yīng)用于熱響應(yīng)測(cè)試中，同時(shí)估算五個(gè)土壤與回填土熱物性參數(shù)（鉆孔內(nèi)熱阻、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、土壤導(dǎo)溫系數(shù)、回填土導(dǎo)熱系數(shù)以及回填土導(dǎo)溫系數(shù)）。針對(duì)目前多參數(shù)優(yōu)化方法中多參數(shù)估算精度低且受初值影響等不利因素，本文首次將遺傳算法應(yīng)用于五熱物性參數(shù)的估算過(guò)程中，提出了一種新的同時(shí)預(yù)測(cè)五個(gè)土壤與回填

7、土熱物性參數(shù)的方法。通過(guò)沙箱實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，本文提出的新的熱物性參數(shù)估算方法不管在魯棒性上還是在預(yù)測(cè)精度上均優(yōu)于常見(jiàn)估算方法。
　　綜上所述，本文提出的瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)模型以及新的熱物性參數(shù)估算方法將對(duì)地源熱泵系統(tǒng)控制策略的確定以及管長(zhǎng)與鉆孔間距的確定提供指導(dǎo)意義。本文的創(chuàng)新性工作主要有:
　　1)開(kāi)發(fā)了一套基于改進(jìn)流體溫度分布假設(shè)的土壤熱物性參數(shù)估算方法，并提出了一套循環(huán)流體溫度分布與循環(huán)流體平均溫度的計(jì)算方法;