豎直地埋管換熱器不確定性設計傳熱模型研究.pdf

1、豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用清潔可再生的淺層地熱能作為低品位熱源（匯），具有低碳節(jié)能、環(huán)保高效、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。其中，地下?lián)Q熱器的設計對整個系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行起決定性作用，也是影響系統(tǒng)經濟性、制約技術推廣的主要原因。然而，常規(guī)確定性設計方法忽略了隨機因素的影響，如傳熱模型不確定性、巖土熱物性參數不確定性、建筑負荷不確定性、熱泵機組特性不確定性等，對于無法準確獲得實際數值的參數，往往通過考慮最不利工況或添加安全系數的方法考慮設計過程中的最大不

2、確定性，容易造成設計余量過大。因此，本文對底層傳熱模型和設計主要環(huán)節(jié)參數的不確定性進行深入探索，構建綜合考慮多種不確定性因素的豎直地埋管換熱器設計理論框架，科學合理地描述輸入參數不確定性到設計輸出不確定性的傳播過程。
　　首先，通過文獻調研，遴選出地源熱泵工程設計中具有代表性的傳熱模型，對其假設條件、邊界及初始條件等基本設定和求解方法進行了詳細解析，在此基礎上，建立了動態(tài)環(huán)境作用下的二維軸向-徑向解析（DCFLS）模型。模擬分析和

3、實驗驗證結果顯示，該模型能夠很好地揭示換熱器與巖土之間的傳熱機理。利用DCFLS模型，基于空間疊加原理和改進的負荷塊聚合法，開發(fā)了變負荷工況下多個鉆孔豎直地埋管換熱器的設計方法。
　　其次，為考察工程中熱響應測試環(huán)節(jié)對地下?lián)Q熱器設計過程的影響，深入研究了熱響應測試中評估參數的選取以及參數評估的優(yōu)化算法，使用信賴域內點反射法及單純形法、對同一組測試數據進行基于不同傳熱模型的參數評估，發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化目標函數計算上，DCFLS模型的表現(xiàn)優(yōu)于

4、常熱流作用下的其他代表性模型。
　　同時，定量分析了巖土熱物性參數估計模型與地下?lián)Q熱器設計模型的匹配問題。結果表明，常熱流作用下，模型不匹配可造成±5-15％流體溫度計算相對偏差，在模型匹配情況下，DCFLS模型與權威的DST模型之間相對偏差最小；模型不匹配對半經驗公式方法地埋管總長度尺寸設計計算的影響較小，但對變負荷工況下長期模擬預測設計方法影響較大，在模型匹配情況下，DCFLS設計結果與TRNSYS設計結果最為接近。
　

5、　鑒于所提出的DCFLS模型在計算準確性、運算速度以及使用靈活性方面的良好表現(xiàn)，結合Monte Carlo隨機模擬技術，提出了以DCFLS為底層模型的豎直地埋管換熱器不確定性設計理論框架，明確了不確定性設計的基本原理和實施步驟，并給出了主要環(huán)節(jié)設計參數的不確定性量化方法。
　　最后，應用建立的不確定性設計方法，以某高校圖書館建筑為研究對象，進行地下?lián)Q熱器設計，結果表明，不確定性設計方法能夠描繪設計輸出的所有可能性，通過可視化經驗累