基于温度场均匀原则的蓄热式地埋管换热器传热分析与优化

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地源热泵系统长期应用于冷热负荷不平衡地区时,将增大土壤温度场的不均匀性,导致地埋管换热器换热效率下降。基于温度场均匀性原则,分析探讨解决蓄热式地埋管换热器结构与热负荷优化问题,对提高地埋管换热器效率有着重要的理论意义和工程应用价值。建立了地埋管换热器管群传热模型及其分析解,基于传热分析与地埋管区域温度场均匀性原则,提出了用于地埋管换热器管群温度场均匀的多种群遗传算法。进行了地埋管换热器管群布置优化和温度场仿真。利用建立的算法对16孔和25孔地埋管管群分别进行了钻孔位置优化和地埋管换热器温度场仿真模拟。优化结果:冷热负荷不平衡地区的钻孔位置排布呈现外密内疏、近似对称的分布;靠近拐角处埋管间距小,而边界中心处钻孔之间间距较大;温度场仿真模拟结果表明:外密内疏的优化布置降低了地下温度场的梯度值,提高温度场均匀性,减缓了冷热负荷不平衡地区地下冷热量堆积现象,并且随着埋管数量的增多,优化效果更加明显。研究分析了适于实际工程的地埋管群(36个钻孔)布置分区优化。在与传统布管面积相同的基础上,选定了3种外密内疏的埋管位置分区方案,并对传统等间距布置方案和分区方案的温度场进行了模拟分析与比较。结果表明:三种分区方案相比传统方案,热量累积现象均有不同程度的减缓,其中,中心区域未布管的分区方案3的温度场均匀性改善效果最明显,而且,三种分区方案四周边界处的过余温度变化相较传统方案而言并不大。同时,分析了热扩散系数、负荷比、运行年限及埋管规模等参数对温度场均匀性改善效果的影响规律,结果表明:随着土壤热扩散系数的减小和埋管规模、冷热负荷比及运行年限的增大,埋管位置分区方案相比传统设计方案,其换热改善的优势在增大。研究分析了适于实际工程的地埋管群(36个钻孔)冷(热)负荷(以下简称‖负荷‖)分区优化。将地埋管换热器承担的负荷强度以―外大内小‖的原则进行分区,模拟负荷分区方案与传统的负荷均分方案之间温度场的变化规律。模拟结果表明:负荷分区方案相比传统负荷均分方案,温度场热量累积现象得到了减缓,随着内区埋管负荷强度的减小、外区埋管换热器承担的负荷强度的增大,温度场热量累积随之下降,但当内外区埋管负荷比例达到一定数值后,热量累积的减缓逐渐趋于稳定。同时,随着土壤热扩散系数的减小和冷热负荷比、管群埋管数的增大,负荷分区方案的优化效果逐渐增强;在系统运行前期,负荷分区方案的优化效果较明显,运行后期优化效果逐渐趋于稳定。研究分析了有渗流时地埋管管群负荷分区优化。针对地下渗流地埋管群的传热特性,沿渗流方向将地埋管换热器承担的负荷强度以―上小下大‖的原则进行分区,对该负荷分区方案和负荷均分方案的温度场进行了模拟分析与比较,得出以下结论:顺渗流方向,增大下游地埋管负荷强度,可以缓解管群区域的热量累积现象。随着土壤热扩散系数的减小,和冷热负荷不平衡度的提高,负荷分区策略对地下换热改善的效果愈加明显;而增大渗流流速,两种负荷分配方案热量累积现象均有减轻,但负荷分区策略换热改善效果相对变弱。
摘要第10-12页
Abstract第12-14页
符号表第15-17页
第1章 绪论第17-33页
    1.1 课题研究背景及意义第17-19页
    1.2 蓄热式地埋管换热器传热分析及其应用现状第19-25页
    1.3 常热流作用下浅层岩土体温度场研究现状第25-28页
    1.4 地源热泵系统优化研究现状第28-30页
    1.5 问题的提出及主要研究内容第30-33页
第2章 地埋管地热换热器传热分析及其温度场均匀优化算法第33-63页
    2.1 前言第33-35页
    2.2 蓄热式地埋管群换热器传热分析第35-40页
        2.2.1 单U管有限长线热源模型第36-37页
        2.2.2 叠加原理第37-39页
        2.2.3 多钻孔管群模型第39-40页
    2.3 遗传算法第40-48页
        2.3.1 基本思想第40-41页
        2.3.2 基本步骤第41-43页
        2.3.3 个体的编码及解码第43-44页
        2.3.4 遗传算子第44-47页
        2.3.5 适应度和目标函数第47-48页
    2.4 多种群遗传算法钻孔位置优化方法第48-51页
        2.4.1 算法要素的确定第48-50页
        2.4.2 算法流程第50-51页
    2.5 仿真结果及分析第51-61页
        2.5.1 仿真结果第51-56页
        2.5.2 优化结果分析第56-61页
    2.6 本章小结第61-63页
第3章 蓄热式地埋管换热器管群布置分区优化第63-93页
    3.1 引言第63-64页
    3.2 管群内外部埋管数对温度场均匀性的影响第64-69页
    3.3 热扩散系数对布置分区方案温度场的影响第69-72页
    3.4 不同负荷比对布置分区方案温度场的影响第72-75页
    3.5 不同运行年限对布置分区方案温度场的影响第75-80页
    3.6 管群规模对布置分区方案温度场的影响第80-92页
        3.6.1 81孔管群分区设计方案的选取第80-84页
        3.6.2 144孔管群分区设计方案的选取第84-90页
        3.6.3 3种管群规模位置分区效果的对比第90-92页
    3.7 本章小结第92-93页
第4章 蓄热式地埋管换热器管群负荷分区优化第93-117页
    4.1 引言第93-94页
    4.2 负荷配比比例对负荷分区方案温度场的影响第94-100页
    4.3 热扩散系数对负荷分区方案温度场的影响第100-103页
    4.4 冷热负荷比对负荷分区方案温度场的影响第103-106页
    4.5 运行期限对负荷分区方案温度场的影响第106-109页
    4.6 管群规模对负荷分区方案温度场的影响第109-116页
        4.6.1 16个地埋管管群负荷分区方案第109-112页
        4.6.2 64个地埋管管群负荷分区方案第112-115页
        4.6.3 3种管群规模负荷分区传热效果的对比第115-116页
    4.7 本章小结第116-117页
第5章 有渗流时蓄热式地埋管换热器管群负荷分区优化第117-136页
    5.1 引言第117页
    5.2 渗流地埋管管群传热分析第117-119页
        5.2.1 渗流单U管有限长线热源传热模型第117-118页
        5.2.2 渗流地埋管管群传热模型第118-119页
    5.3 渗流分区方法及算法流程第119-121页
        5.3.1 渗流分区方法第119-120页
        5.3.2 程序流程第120-121页
    5.4 渗流工况负荷配比对负荷分区方案温度场的影响第121-125页
    5.5 渗流工况土壤热扩散系数对负荷分区方案温度场的影响第125-129页
    5.6 渗流工况负荷比对负荷分区方案温度场的影响第129-132页
    5.7 渗流工况渗流速度对负荷分区方案温度场的影响第132-135页
    5.8 本章小结第135-136页
第6章 结论和展望第136-139页
    6.1 全文总结第136-137页
    6.2 工作展望第137-139页
参考文献第139-150页
致谢第150-151页
攻读博士期间完成的论文和科研情况第151-152页
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