【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展,能源供需與人類發(fā)展之間的矛盾愈演愈烈。在這樣的背景之下,開發(fā)可再生能源,減少化石能源的消耗,增加能源的多元利用,降低氮氧化物等污染物的排放已成為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐點(diǎn)。地源熱泵系統(tǒng)因其利用淺層地?zé)豳Y源,通過輸入少量高品位能源為建筑物提供熱(冷)量,從而達(dá)到節(jié)能減排目的。是公認(rèn)的高效節(jié)能供熱制冷空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)雖具有無可比擬的發(fā)展優(yōu)勢,但同樣也受到諸多因素的限制影響其發(fā)展。首先,地源熱泵系統(tǒng)初投資過高,致使大多數(shù)施工單位難以承受。限制了地源熱泵系統(tǒng)的推廣發(fā)展。其次,土壤熱物性參數(shù)為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性參數(shù),其獲得的準(zhǔn)確性將直接影響到地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì),進(jìn)而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益及長期運(yùn)行性能。所以,準(zhǔn)確獲得施工地區(qū)的土壤熱物性參數(shù),對于地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。本文基于現(xiàn)場熱響應(yīng)測試原理,對地源熱泵系統(tǒng)的核心部件地埋管換熱器同周圍土壤間的換熱過程進(jìn)行了理論分析。運(yùn)用CFD理論對地下?lián)Q熱過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并應(yīng)用Fluent建立高度仿真的模擬實(shí)驗(yàn)平臺。通過搭建模型實(shí)驗(yàn)臺,測量關(guān)鍵位置溫度,同仿真結(jié)果進(jìn)行對比,分析實(shí)驗(yàn)值同模擬值之間相對偏差的變化原因,驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)平臺的準(zhǔn)確性。然后通過理論分析,總結(jié)出影響土壤熱物性參數(shù)獲得準(zhǔn)確性的各種因素。應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行熱響應(yīng)測試模擬,為準(zhǔn)確的模擬熱響應(yīng)測試過程,通過UDF對地埋管換熱器的入口溫度進(jìn)行處理。通過模擬熱響應(yīng)測試獲得各種工況下地埋管換熱器的逐時(shí)進(jìn)出口溫度后基于雙參數(shù)優(yōu)化思想,采用參數(shù)估計(jì)法,對線熱源模型和柱熱源模型分別應(yīng)用Matlab軟件編寫反演計(jì)算土壤熱物性參數(shù)的程序。獲得熱響應(yīng)測試模擬數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到辨識程序并運(yùn)行參數(shù)辨識程序。辨識各單因素影響下的土壤熱物性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,將仿真實(shí)驗(yàn)平臺輸入的熱物性參數(shù)作為熱響應(yīng)測試中土壤熱物性參數(shù)的真實(shí)值。以熱物性參數(shù)真實(shí)值為基準(zhǔn),對比真實(shí)值和辨識值得到參數(shù)辨識過程中的相對誤差。分析土壤熱物性參數(shù)的辨識誤差,根據(jù)相對誤差最小提出最佳測試時(shí)間。摒棄傳統(tǒng)工程中依據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)確定測試時(shí)間的方法,建議按照最佳測試時(shí)間對熱響應(yīng)測試進(jìn)行安排。并且通過分析各因素對熱物性參數(shù)辨識最佳測試時(shí)間的影響趨勢給出施工地點(diǎn)選擇及熱響應(yīng)測試過程中操作條件的合理性建議,為地源熱泵工程實(shí)踐提供可供參考的指導(dǎo)建議。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK52
【圖文】：

確定計(jì)算域后需要對計(jì)算空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)控制方程在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的逡逑離散化。地埋管換熱器同周圍土壤換熱的物理模型通過Ｆｌｕｅｎｔ前處理軟件ＧＡＭＢＩＴ繪逡逑制并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其示意圖如圖２．２所示。物理模型尺寸同實(shí)際物理問題尺寸相同，逡逑高度還原實(shí)際物理問題。物理模型中包括四部分幾何體：地埋管內(nèi)循環(huán)流體、地埋管換逡逑熱器、鉆孔內(nèi)回填材料、鉆孔外土壤。由于地埋管換熱器的管長要遠(yuǎn)大于管徑，因此管逡逑內(nèi)循環(huán)流體在地埋管換熱器內(nèi)的流動(dòng)屬于細(xì)長管道流動(dòng)問題。逡逑崎—７逡逑／邋Ｍ邋／逡逑？邋１／0邋１／逡逑圖２．２物理模型示意圖逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．２邋ｔｈｅ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑２．２．２網(wǎng)格劃分逡逑采用ｎｕｅｎｔ進(jìn)行計(jì)算之前需對控制方程所在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行離散，從而使控制方程轉(zhuǎn)逡逑變?yōu)楦骶W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組，然后采用線性代數(shù)方法進(jìn)行迭代求解。網(wǎng)格生成是其逡逑中一個(gè)關(guān)鍵步驟。網(wǎng)格生成質(zhì)量的好壞對數(shù)值計(jì)算的精度及效率影響很大。計(jì)算網(wǎng)格按逡逑照網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格逡逑的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的臨近關(guān)系是有序且規(guī)則的。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可以方便準(zhǔn)逡逑確的處理邊界條件，計(jì)算精度高，而且可以采用多種高效隱式算法和多重網(wǎng)格法，計(jì)算逡逑效率高于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。其缺點(diǎn)是針對形狀不規(guī)則的幾何體應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格十逡逑－１４－逡逑

確定計(jì)算域后需要對計(jì)算空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)控制方程在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的逡逑離散化。地埋管換熱器同周圍土壤換熱的物理模型通過Ｆｌｕｅｎｔ前處理軟件ＧＡＭＢＩＴ繪逡逑制并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其示意圖如圖２．２所示。物理模型尺寸同實(shí)際物理問題尺寸相同，逡逑高度還原實(shí)際物理問題。物理模型中包括四部分幾何體：地埋管內(nèi)循環(huán)流體、地埋管換逡逑熱器、鉆孔內(nèi)回填材料、鉆孔外土壤。由于地埋管換熱器的管長要遠(yuǎn)大于管徑，因此管逡逑內(nèi)循環(huán)流體在地埋管換熱器內(nèi)的流動(dòng)屬于細(xì)長管道流動(dòng)問題。逡逑崎—７逡逑／邋Ｍ邋／逡逑？邋１／0邋１／逡逑圖２．２物理模型示意圖逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．２邋ｔｈｅ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑２．２．２網(wǎng)格劃分逡逑采用ｎｕｅｎｔ進(jìn)行計(jì)算之前需對控制方程所在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行離散，從而使控制方程轉(zhuǎn)逡逑變?yōu)楦骶W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組，然后采用線性代數(shù)方法進(jìn)行迭代求解。網(wǎng)格生成是其逡逑中一個(gè)關(guān)鍵步驟。網(wǎng)格生成質(zhì)量的好壞對數(shù)值計(jì)算的精度及效率影響很大。計(jì)算網(wǎng)格按逡逑照網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格逡逑的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的臨近關(guān)系是有序且規(guī)則的。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可以方便準(zhǔn)逡逑確的處理邊界條件，計(jì)算精度高，而且可以采用多種高效隱式算法和多重網(wǎng)格法，計(jì)算逡逑效率高于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。其缺點(diǎn)是針對形狀不規(guī)則的幾何體應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格十逡逑－１４－逡逑

邐第２章地埋管換熱器數(shù)學(xué)模型建立及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證逡逑溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺原理圖及實(shí)物圖見圖２．４。逡逑電加熱管逡逑—箱邐Ｉ逡逑閥門邋ｈ｜邐—＊逡逑ｖＷＭＺＺ邋￣？計(jì)邐、！邐＇４，’逡逑砂箱邐一，砂土邐以：侜：：逡逑－逡逑（ａ）實(shí)驗(yàn)平臺原理圖邐（ｂ）實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖逡逑（ａ）邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邐（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍａｐ逡逑圖２．４地埋管換熱實(shí)驗(yàn)平臺逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．４邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｆｏｒ邋ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ邋ｈｅａｔ邋ｅｘｃｈａｎｇｅｒ逡逑其中，地下埋管換熱系統(tǒng)由銅制單Ｕ型埋管換熱器及土壤構(gòu)成。圖２．５為銅制單Ｕ逡逑型埋管換熱器尺寸結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑廠逡逑ｉ；邐Ａ邋６ｃｍ丨逡逑＿Ｊ．邋５ｃｎ＾＿邋Ｉ逡逑卜邋□邋Ｑ逡逑丨；邐Ｉ邐＾邐３０ｃｍ邋邐逡逑ｉ邋ＬＪ逡逑圖２．５銅制Ｕ型管尺寸逡逑Ｆｉｇ邋．邋２．５邋ｔｈｅ邋Ｕ－ｔｕｂｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ邋ｍａｄｅ邋ｂｙ邋ｃｏｐｐｅｒ逡逑換熱系統(tǒng)所用土壤選用沈陽市東北大學(xué)校內(nèi)地表淺層土壤。水循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)水逡逑泵、流量計(jì)、恒溫水箱及連接管路構(gòu)成。為防止熱量在循環(huán)過程發(fā)生損失影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確逡逑性，在循環(huán)管路外部包裹了保溫材料以減少熱損失。循環(huán)水栗經(jīng)過計(jì)算選用德國威樂逡逑ＰＢ－０８８ＥＡＨ型水泵。恒溫水箱材質(zhì)選用不銹鋼３１６Ｌ，通過焊接制成。溫度控制系統(tǒng)由逡逑溫度傳感器及恒溫控制箱構(gòu)成

【參考文獻(xiàn)】

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8 黃奕l

本文編號：2764534