基于地埋管換熱器熱阻-熱容網(wǎng)絡(luò)模型的巖土熱響應(yīng)測(cè)試方法研究.pdf

1、地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的主要換熱部件。埋管內(nèi)載流體與周圍巖土進(jìn)行熱量交換，在冬季淺層巖土通過(guò)載流體向建筑物內(nèi)傳遞熱量實(shí)現(xiàn)供暖，在夏季建筑物內(nèi)的熱量通過(guò)載流體向淺層巖土排放實(shí)現(xiàn)制冷。由于埋管換熱器設(shè)計(jì)容量的大小與其實(shí)際傳熱性能的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，并且影響地埋管換熱器設(shè)計(jì)容量及其實(shí)際傳熱性能的關(guān)鍵因素取決于是否能夠有效、準(zhǔn)確地獲得巖土和回填料的熱物性參數(shù)（包括巖土的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、巖土熱容值和回填料

2、的導(dǎo)熱系數(shù)等）。因此如何準(zhǔn)確、高效地獲得這些熱物性參數(shù)并建立起方便、可靠的地埋管換熱器傳熱分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器經(jīng)濟(jì)、可靠的設(shè)計(jì)以及保證地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期、高效、可靠地運(yùn)行，在地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中具有重要意義。
　　在地埋管換熱器模型的鉆孔熱阻計(jì)算公式方面，本文對(duì)比了基于三熱阻模型和四熱阻模型的鉆孔內(nèi)熱阻擬合公式的計(jì)算結(jié)果。在某特定幾何布置結(jié)構(gòu)下，鉆孔內(nèi)三熱阻模型的熱阻擬合公式會(huì)導(dǎo)致埋管之間的熱阻出現(xiàn)負(fù)

3、值，然而四熱阻模型的擬合公式能夠克服這一缺陷。在此基礎(chǔ)上，本文分別建立了基于鉆孔內(nèi)三熱阻模型和四熱阻模型的三維地埋管換熱器瞬態(tài)熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)分析模型。通過(guò)求解分析模型并與CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)了基于鉆孔內(nèi)四熱阻的瞬態(tài)熱阻熱容模型較三熱阻模型能更好地描述地埋管換熱器的傳熱過(guò)程，證實(shí)了為考慮鉆孔周向壁面溫度分布不均勻而引入鉆孔壁面之間的傳熱熱阻是合理且必要的。
　　為了進(jìn)一步提高基于鉆孔內(nèi)四熱阻模型的地埋管換熱器熱阻熱容瞬態(tài)網(wǎng)

4、絡(luò)模型計(jì)算精度，本文對(duì)四熱阻模型進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的四熱阻模型能更好地模擬地埋管換熱器熱響應(yīng)測(cè)試前期的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，使得其計(jì)算結(jié)果更接近地埋管換熱器的三維CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。與此同時(shí)，在不降低計(jì)算結(jié)果精度的前提下，所獲得的改進(jìn)后的基于鉆孔內(nèi)四熱阻模型的地埋管換熱器瞬態(tài)熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)分析模型能夠?qū)崿F(xiàn)快速求解，較三維CFD模型可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。
　　在獲得上述改進(jìn)后的基于鉆孔內(nèi)四熱阻傳熱模型的地埋管換熱器三維熱阻

5、熱容傳熱網(wǎng)絡(luò)分析模型基礎(chǔ)上，本文結(jié)合Nelder-Mead優(yōu)化算法提出了一種新的能夠快速獲得淺層巖土熱物性參數(shù)的地埋管換熱器熱響應(yīng)測(cè)試方法。驗(yàn)證了該測(cè)試方法不僅能獲得比常規(guī)基于線熱源模型更豐富、更準(zhǔn)確的巖土當(dāng)量熱物性參數(shù)（包括巖土導(dǎo)熱系數(shù)、巖土熱容值和回填料導(dǎo)熱系數(shù)等），還具有較傳統(tǒng)基于線熱源模型熱響應(yīng)測(cè)試方法可以充分地利用測(cè)試初期前10小時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)、不再要求測(cè)試過(guò)程的恒定輸入功率等優(yōu)點(diǎn)。因此，在不降低測(cè)試結(jié)果精度的前提條件下，本文提出