基于地埋管換熱器熱阻-熱容網(wǎng)絡模型的巖土熱響應測試方法研究.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行熱量交換，在冬季淺層巖土通過載流體向建筑物內(nèi)傳遞熱量實現(xiàn)供暖，在夏季建筑物內(nèi)的熱量通過載流體向淺層巖土排放實現(xiàn)制冷。由于埋管換熱器設計容量的大小與其實際傳熱性能的優(yōu)劣將直接影響到整個地源熱泵系統(tǒng)長期運行的可靠性與經(jīng)濟性，并且影響地埋管換熱器設計容量及其實際傳熱性能的關鍵因素取決于是否能夠有效、準確地獲得巖土和回填料的熱物性參數(shù)（包括巖土的當量導熱系數(shù)、巖土熱容值和回填料

2、的導熱系數(shù)等）。因此如何準確、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，實現(xiàn)對地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器經(jīng)濟、可靠的設計以及保證地源熱泵系統(tǒng)長期、高效、可靠地運行，在地源熱泵系統(tǒng)的工程應用實踐過程中具有重要意義。
　　在地埋管換熱器模型的鉆孔熱阻計算公式方面，本文對比了基于三熱阻模型和四熱阻模型的鉆孔內(nèi)熱阻擬合公式的計算結果。在某特定幾何布置結構下，鉆孔內(nèi)三熱阻模型的熱阻擬合公式會導致埋管之間的熱阻出現(xiàn)負

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)絡分析模型。通過求解分析模型并與CFD數(shù)值模擬結果進行對比，確認了基于鉆孔內(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程，證實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、絡模型計算精度，本文對四熱阻模型進行了改進。改進后的四熱阻模型能更好地模擬地埋管換熱器熱響應測試前期的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，使得其計算結果更接近地埋管換熱器的三維CFD數(shù)值模擬計算結果。與此同時，在不降低計算結果精度的前提下，所獲得的改進后的基于鉆孔內(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算時間，提高計算效率。
　　在獲得上述改進后的基于鉆孔內(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)絡分析模型基礎上，本文結合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測試方法。驗證了該測試方法不僅能獲得比常規(guī)基于線熱源模型更豐富、更準確的巖土當量熱物性參數(shù)（包括巖土導熱系數(shù)、巖土熱容值和回填料導熱系數(shù)等），還具有較傳統(tǒng)基于線熱源模型熱響應測試方法可以充分地利用測試初期前10小時測試數(shù)據(jù)、不再要求測試過程的恒定輸入功率等優(yōu)點。因此，在不降低測試結果精度的前提條件下，本文提出