U型豎直地埋管換熱器熱響應(yīng)模型及其算法研究.pdf

1、目前,建筑能耗占中國總能耗的比例已達(dá)27.8％,并且還在持續(xù)上升。此外,中國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理,煤占統(tǒng)治地位,而清潔能源所占的比例卻很少。地源熱泵是一種利用地?zé)徇@一可再生能源的暖通空調(diào)系統(tǒng),它具有種高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn),它的推廣應(yīng)用,對于建筑節(jié)能,以及能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都有著重要的意義。地埋管換熱器的長期換熱性能對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行性能、運(yùn)行費(fèi)用以及使用壽命都有著重要的影響,而對地埋管換熱器的長期換熱性能進(jìn)行有效的

2、預(yù)測、分析和評價(jià)就需要有一種簡單快速的計(jì)算方法,因此針對地埋管換熱器熱響應(yīng)模型快速算法方面的研究有很重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
　　 本文將系統(tǒng)辨識的方法和Z-傳遞函數(shù)法以及諧波反應(yīng)法結(jié)合起來,對U型豎直地埋管換熱器的熱響應(yīng)模型及其相關(guān)算法進(jìn)行了深入的研究。本文首先應(yīng)用離散數(shù)列的傅立葉分解方法,對作用于地埋管換熱器上的任意形式的熱流進(jìn)行分解,將其為解為一個階躍熱流和若干個三角函數(shù)形式的熱流之和。這樣就將無規(guī)則的自然信號轉(zhuǎn)化為特殊

3、信號,為下文分析地埋管換熱器在特殊信號的熱流作用下,周圍巖土的溫度響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。通過對比分析,本方法具有很高的計(jì)算精度。
　　 Z-傳遞函數(shù)法是分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱的常用方法,它具有計(jì)算速度快的突出優(yōu)點(diǎn)。直接求根法是求解Z傳遞系數(shù)的常用方法,但直接求根法計(jì)算過程較為復(fù)雜,且可能存在丟根的現(xiàn)象。為解決此問題,本文結(jié)合系統(tǒng)辨識的理論,建立了基于Z-傳遞函數(shù)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)動態(tài)熱特性辨識模型,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了基于

4、Z-傳遞函數(shù)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)的辨識算法。本算法采用最小二乘辨識算法作為辨識準(zhǔn)則,以基于Z-傳遞函數(shù)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)動態(tài)熱特性辨識模型為辨識模型,以有限長線熱源模型的數(shù)值解為數(shù)據(jù)的觀測值,以此來辨識地埋管換熱器熱力系統(tǒng)的Z傳遞系數(shù),最后利用辨識得到的Z傳遞系數(shù)計(jì)算得到作用于地埋管換熱器上的熱流引起的周圍巖土的溫度響應(yīng)。
　　 本文利用基于Z-傳遞函數(shù)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)的辨識算法,分析了不同周期的三角函數(shù)形式的

5、熱流作用下,地埋管換熱器周圍巖土的溫度響應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)正弦波形式的熱流周期較小(T≤720h)時,本算法不僅計(jì)算速度快而且計(jì)算精度高；而當(dāng)周期較大(T>720h)時,為達(dá)到相同的計(jì)算精度,所需的反應(yīng)系數(shù)大為增加,這就造成計(jì)算時間也大為增加。此時采用此法,就不能充分體現(xiàn)反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算速度快的優(yōu)勢。為解決此問題,本文還建立了基于諧波反應(yīng)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)動態(tài)熱特性辨識模型,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了基于諧波反應(yīng)法的地埋管換熱器熱力系

6、統(tǒng)的辨識算法,本算法可以用來求解長周期三角函數(shù)形式熱流的溫度響應(yīng)。通過對比分析,本算法也具有很高的計(jì)算精度。
　　 然后本文又將基于Z傳遞函數(shù)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)的辨識算法和基于諧波反應(yīng)法的地埋管換熱器熱力系統(tǒng)的辨識算法結(jié)合起來,提出了短步長熱響應(yīng)模型快速算法,通過與g-函數(shù)的對比表明,本算法不僅計(jì)算精度高而且計(jì)算速度快。結(jié)合短步長熱響應(yīng)模型快速算法,本文還建立了計(jì)算地埋管換熱器管內(nèi)流體溫度的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合實(shí)際算例,介紹了熱