论文部分内容阅读
土壤耦合热泵(Ground Coupled Heat Pump，GCHP)是一种高效节能的空调技术，已经广泛应用于住宅和商业建筑的供热、供冷工程。与传统水源热泵系统相比，GCHP增加的设备是土壤换热器(Ground Heat Exchanger，GHE)，GHE的尺寸和换热性能，将直接关系到GCHP系统的初投资和运行成本。
解析解可靠性高、适用性强、求解过程简单，广泛应用于GHE的设计计算。论文首先对钻孔外和钻孔内单U型和双U型GHE传热的解析解模型进行了分析，并且分别提出了在进口温度和换热量已知的条件下，钻孔内外耦合传热的计算方法。然而，当GHE非连续运行时，耦合解析解便难以用于GHE传热过程的精确计算。
为更精确计算GHE的传热过程，分别建立了单U型和双U型GHE实际尺寸的三维数值解模型，对其进行了非稳态数值计算。通过与相关文献中热响应测试结果的对比，验证了该模型的准确性，并且与解析解模型的计算结果进行了对比，指出了解析解的一些不足。
在实际中，GCHP往往是非连续运行的，这时解析解很难对GHE的传热过程进行准确计算。通常，GCHP的非连续运行方式可概括为以一天为单位的周期运行方式。利用所建立的单U型GHE三维数值解模型对周期运行和连续运行时的换热性能及周围土壤温度分布进行了对比分析，说明周期运行时GHE的换热性能将会比连续运行时有很大的提升，采用未考虑该效应的设计方法对周期运行时的GHE进行设计将会造成设计尺寸过大，初投资增加。
影响GHE换热性能的因素有很多，利用所建立的三维数值解模型分别对单U型与双U型GHE换热性能的影响因素进行了分析，并对两种GHE的换热性能差异进行了对比。结果表明，由于热短路现象的存在，双U型GHE换热性能不一定强于单U型，只有GHE流量大于某临界流量时，双U型GHE的换热性能才强于单U型。此外，以单U型GHE为例，通过在U型管中间设置绝热挡板的方法分析了热短路效应对换热性能的影响，给出了控制热短路可能带来的效益。
适宜的周围土壤温度场，是确保GHE高效运行的基础，而地下水渗流也有利于GHE的高效运行。为研究GCHP系统常年运行时GHE管群周围土壤的热积累问题，建立了管群周围土壤传热的二维数值解模型，在纯导热和兼有地下水渗流条件下，对系统单向连续运行、单向间歇运行和双向间歇运行模式下土壤的热积累问题进行了研究。结果表明，地下水渗流速度对管群周围土壤热积累有很大影响，地下水渗流速度越小，影响越大，当地下水渗流速度小于10-6m/s时，必须考虑热积累问题。
本文的研究将使GHE的设计计算及工程应用更加合理化，并为GCHP系统高效、稳定、可持续运行提供了理论基础。