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地源热泵垂直U型埋管换热器不同运行模式的性能模拟及实验研究

作　者: 余红海
导　师: 周亚素
学　校: 东华大学
专　业: 供热、供燃气、通风与空调工程
关键词: 地源热泵垂直U型埋管换热器传热模型运行模式实验研究换热性能模拟计算
分类号: TU833
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

地源热泵是一种节能、环保、高效利用可再生资源的“绿色”空调新技术,将在我国建筑空调系统中发挥越来越重要的作用。垂直U型埋管换热器由于其占地面积少、可用范围广、恒温效果好、换热效率高、维护费用低等优势,目前已成为应用最广泛的一种埋管方式。本文以垂直U型埋管换热器为课题研究对象,主要做了以下工作:首先对地源热泵系统的分类、原理、特点以及近年来的研究发展状况进行了较为系统的阐述。为了更好的分析埋管换热器的地下传热过程,本文在总结现有传热模型的基础上,以钻孔壁为界,将埋管换热器与土壤的传热分为钻孔外和钻孔内两部分,钻孔外采用一维瞬态传热模型,钻孔内采用准三维稳态传热模型,并结合脉冲热流对系统连续运行、间歇运行等不同运行模式下的温度响应理论,建立了埋管换热器一整套的传热模型,该模型耦合了系统运行模式、管内流体流速、管材、回填材料和土壤热物性等诸多参数,更加贴近工程实际。其次,本文对上海地区60m孔深垂直U型埋管换热器进行了一个夏季的测试,实验研究了埋管换热器在不同运行模式下的换热性能。测试围绕全天连续、昼开夜停、全天间歇等运行模式来展开,采用多流速变工况来进行。全天连续运行模式分别在0.34m/s、0.37m/s、0.42m/s流速下进行了三个工况的测试,测试结果表明,地下埋管换热量随运行时间的增加而逐渐减少,随流速的增大而增大,当循环水流速等于0.42m/s时埋管换热量最大,平均单位孔深换热量为73.66W/m,较之0.34m/s测试工况增大了5.12W/m,较之0.37m/s测试工况增大了3.51W/m。由此选用0.42m/s为较优流速,按照不同的开停机比进行了昼开夜停、全天间歇两种运行模式的测试。结果表明,当条件相同时,间歇运行模式下的埋管换热量要高于全天连续运行模式,其中,昼开夜停运行模式下的埋管换热量最大,平均单位孔深换热量为75.14W/m,是一种较好的节能运行模式。最后,结合所测数据,对本文建立的埋管换热器传热模型进行了实验验证,在确定输入参数的情况下,即可模拟出不同运行模式下埋管换热器的进出口水温。与实测值对比后,平均绝对误差为0.6446℃,平均相对误差为1.84%。可见模拟值和实测值吻合较好,表明该模型具有较高的合理性和精确性。并以此模型为理论依据,对埋管换热器连续和间歇运行模式下的埋管换热性能进行了模拟计算,分析比较了管内流体流速、管材、回填材料及土壤热物性、系统运行模式等因素对埋管换热性能的影响,得出的结论可为地源热泵工程设计提供一定的指导意义和参考依据。

地源热泵垂直U型埋管换热器不同运行模式的性能模拟及实验研究

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