地源熱泵地埋管換熱機理及其熱物性參數估算方法研究.pdf

1、隨著能源短缺與環(huán)境污染問題日益嚴峻，地源熱泵作為可再生能源技術的代表受到了全世界的關注。對于一個確定的地源熱泵系統，土壤與回填土熱物性參數是核心參數，它決定了地源熱泵系統的經濟性與節(jié)能性。為估算土壤與回填土的熱物性參數，實地熱響應測試是地源熱泵系統設計必不可少的一步。本文主要針對目前實地熱響應測試中所暴露的是循環(huán)流體溫度分布假設不準確、地下換熱模型不精確以及迭代優(yōu)化算法不適合等問題進行了系統的研究，開發(fā)了一套能夠同時預測土壤與回填土熱物

2、性參數的估算方法，更新了熱物性參數估算過程中流體溫度分布的假設，提出了一種新的能適應全生命周期響應的瞬態(tài)準三維全周期響應模型，優(yōu)化了迭代算法，并分析了鉆孔內熱阻估算誤差對地源熱泵系統初投資以及總投資的影響。
　　首先，針對流體溫度假設不準確導致鉆孔內熱阻偏差較大的問題，本文提出了動態(tài)p線性平均方法，利用非線性擬合的方法改善了傳統方法中循環(huán)流體溫度分布假設為線性分布的缺陷。通過湖南大學孵化中心實地測試，動態(tài)p平均方法估算出的鉆孔內熱

3、阻比傳統方法的估算值低了6.31％。經過誤差分析，動態(tài)p線性平均方法的最大誤差為3％，而傳統估算方法的最大誤差為40.69％。此外，針對動態(tài)p線性方法物理意義較弱的特點，本文通過將理論流體溫度分布函數改寫為流體進出口溫度的函數的方法，改進了p線性平均方法，提出了改進型動態(tài)p線性平均方法。利用能夠測試出流體溫度分布的分布式熱響應實驗，本文驗證了動態(tài)p線性平均方法與改進型p線性平均方法均是有效的熱物性參數估算方法。
　　其次，為適應估

4、算地埋管內回填土的熱物性參數與地源熱泵系統短時間內的能耗及性能分析的需求，本文分別開發(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型管簡化為當量管不同的是，本模型對U型管的進水管與出水管分別建模，同時引入測試鉆孔內熱阻改進了鉆孔結構不確定而造成誤差的計算瞬態(tài)鉆孔內熱組。以沙箱實驗為例，本模型對于流體進出口溫度與土壤溫度分布的預測相對誤差均在5％以下。如果以流體溫度預測誤差在0.5℃以下作為預測精度達到要求，

5、則本模型的響應時間為45分鐘，滿足目前大部分地源熱泵系統控制響應時間要求。同時，在恒定熱流瞬態(tài)換熱模型的基礎上，本文利用杜哈梅爾疊加方法在時間上疊加各個變熱流階段熱流所產生的溫度響應，開發(fā)了變熱流下瞬態(tài)換熱模型。為簡化疊加過程的重復循環(huán)，本文采用快速傅里葉方法進行流體溫度分布與鉆孔周圍土壤溫度分布的計算。通過河北工程大學內間歇運行實驗平臺，本文驗證了變熱流計算條件下瞬態(tài)準三維全周期響應模型所預測的流體進出口溫度以U型管管壁溫度。結果顯示

6、，對于流體進出口溫度與U型管管壁溫度，除了在熱流變化的1-2小時之內，其余時刻的溫度預測相對誤差均在5％以內。
　　最后，本文將瞬態(tài)準三維全周期響應模型應用于熱響應測試中，同時估算五個土壤與回填土熱物性參數（鉆孔內熱阻、土壤導熱系數、土壤導溫系數、回填土導熱系數以及回填土導溫系數）。針對目前多參數優(yōu)化方法中多參數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用于五熱物性參數的估算過程中，提出了一種新的同時預測五個土壤與回填

7、土熱物性參數的方法。通過沙箱實驗的驗證，本文提出的新的熱物性參數估算方法不管在魯棒性上還是在預測精度上均優(yōu)于常見估算方法。
　　綜上所述，本文提出的瞬態(tài)準三維全周期響應模型以及新的熱物性參數估算方法將對地源熱泵系統控制策略的確定以及管長與鉆孔間距的確定提供指導意義。本文的創(chuàng)新性工作主要有:
　　1)開發(fā)了一套基于改進流體溫度分布假設的土壤熱物性參數估算方法，并提出了一套循環(huán)流體溫度分布與循環(huán)流體平均溫度的計算方法;