桩基螺旋管地热换热器导热模型分析与实验研究

【摘要】： 随着人们节能意识的提高和国家的政策扶持,地源热泵空调技术得到越来越多的人的关注。桩基螺旋管地热换热器作为一种新型的地源热泵换热器形式,充分利用了建筑物地下面积来解决室外钻孔不足的问题,省掉了昂贵的钻孔和埋管费用,大大提高了换热效能和施工效率。凭借以上种种优点,桩基螺旋埋管形式的地源热泵系统势必是将来发展的一个趋势。 桩埋管地热换热器中桩的直径大大超过钻孔的直径,而桩的深度通常会小于钻孔的深度。首先,鉴于它的特殊的几何和结构条件,本文考虑了桩基在径向的尺寸和热容量,提出实心圆柱面热源模型以描述螺旋埋管地热换热器中的传热过程。采用格林函数和虚拟热源法,导出适用于桩基螺旋埋管换热器的无限长及有限长面热源模型的温度分布解析解,对模型中的各参数对换热性能的影响做了分析。同时,对有限长面热源模型中的两种代表性温度,即热源面的积分平均温度和圆柱面中点温度分别进行了计算和讨论。 其次,考虑到螺旋管在桩基内部的布置形式,提出并优化了另一种桩基螺旋管地热换热器的导热模型：线圈模型。指出无限长线圈模型温度场在纵向的分布呈周期性变化。考虑换热效果和桩基安全性的条件下,给出了工程中合理选择螺距的原则,考虑管壁及管内热阻引起的温升,得到了管内流体的温度响应。 再次,搭建了桩基螺旋埋管换热器的实验系统,对其中的传热过程进行了实验研究。对比实验值和计算值的吻合程度,证实线圈模型是基本符合桩基螺旋埋管换热器的实际换热情况的。实验还验证了加热功率、流量和螺距等参数对螺旋埋管换热器传热的影响,得到与理论模型一致的结论。同时根据实验中反映出来的情况,提出了模型的不足以及改进措施。 最后,针对一个工程实例,运用DEST-C软件计算了详细的建筑负荷,考虑峰值负荷的影响,以无限长线圈模型为理论基础,对桩基螺旋埋管地热换热器进行了设计计算。 【关键词】：地源热泵 桩埋管 传热模型 解析解 实验分析
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 热泵的分类10-12
• 1.3 桩基埋管地源热泵简介12-15
• 1.3.1 桩基螺旋埋管的种类13-14
• 1.3.2 不同形式桩基埋管的特点14-15
• 1.4 桩基埋管地源热泵系统国内外现状15-18
• 1.4.1 实验及应用研究现状15-16
• 1.4.2 垂直钻孔地埋管地热换热器理论模型现状16-17
• 1.4.3 桩基埋管地热换热器理论模型现状17-18
• 1.5 文章的主要研究内容18
• 1.6 课题的研究意义18-20
• 第二章 圆柱面热源模型20-31
• 2.1 引论20-21
• 2.2 无限长实心圆柱面热源模型21-23
• 2.3 有限长实心圆柱面热源模型23-30
• 2.3.1 有限长面热源模型的解析解24-25
• 2.3.2 无限长面热源与有限长面热源的温度响应的对比25-26
• 2.3.3 有限长面热源模型各参数对温度响应的影响26-28
• 2.3.4 热源表面沿深度方向的积分平均温度28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 线圈模型31-45
• 3.1 无限长线圈模型31-36
• 3.1.1 模型推导31-33
• 3.1.2 无限长线圈模型温度场变化33-36
• 3.2 无限长线圈模型与实心圆柱面热源模型的比较36-39
• 3.3 有限长线圈模型39-42
• 3.4 管内流体的温升及进出口流体温度计算42-43
• 3.4.1 管内流体温升42-43
• 3.4.2 管内流体进出口温度计算43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 桩基螺旋埋管实验分析45-59
• 4.1 实验准备45-47
• 4.1.1 所需测试仪器及材料45-46
• 4.1.2 热电偶的制作46-47
• 4.2 实验台的搭建47-50
• 4.2.1 初期准备工作47-49
• 4.2.2 测试系统的搭建49-50
• 4.3 实验测试及分析50-57
• 4.3.1 热电偶的标定50-51
• 4.3.2 试块导热系数的测定51-52
• 4.3.3 各测点温度变化的测定52-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 桩埋螺旋管换热器的工程设计计算59-67
• 5.1 项目概况59-60
• 5.1.1 工程概况59
• 5.1.2 工程地质概况59-60
• 5.2 计算模型及基本参数的设定60-61
• 5.3 计算负荷的确定61-62
• 5.4 针对管径选择的计算62-64
• 5.5 针对螺距的计算64-66
• 5.6 结论66-67
• 第六章 结论与不足67-69
• 6.1 本文总结67-68
• 6.2 论文的不足及可研究方向68-69
• 参考文献69-72
• 附录 施工技术及MATLAB编程方法72-78
• 致谢78
• 攻读硕士学位期间论文发表情况78

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