土壤源热泵地下温度场分析的有限元线法

论文摘要

土壤源热泵空调系统是利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋于地下的封闭环路中循环流动,与土壤进行热交换,进而由热泵实现对建筑物的制冷或供暖。土壤源热泵因其显著的节能和环境保护效益,在国内外日益受到重视。但是,我国对土壤源热泵系统的研究,仍然处于起步阶段,尚无成熟的设计规范和运行经验的总结。本文是在北京市可持续发展基金的支持下,首次将有限元线法引入到温度场的分析中,用有限元线法对土壤源热泵地下温度场进行了分析计算。本文课题组完成了一个地源热泵的样板工程,采用了双U型垂直埋管地下换热系统,跟踪记录了该工程一个冬季取暖期的运行记录,积累了冬季地下埋管系统中水温随运行时间的变化情况。这些数据为土壤源热泵的设计研究提供了参考作用。本文首先对影响传热的各种因素进行了分析,对传热模型进行了探讨研究,确定了本文所采用的传热模型。并分析了温度场的特点及边界条件,用分离变量法给出了二维稳态温度场的解析解,并作为有限元线法计算结果的校核依据。本文以a×b单元为例,说明了将有限元线法应用于温度场的理论分析过程,得到了一组常微分方程组及其边界条件。然后说明了常微分方程求解器—COLSYS的使用范围,求解功能及使用方法,并对其精确性进行了验证,计算结果表明COLSYS的计算精度完全满足有限元线法的要求。最后用COLSYS对所得到的常微分方程组和边界条件进行了求解,然后与分离变量法得到的解析解进行对比。计算结果的对比表明,有限元线法可应用于温度场的分析计算,且计算精度高,解答令人满意。论文将本文的计算方法应用到实际的工程中,建立了简化模型,对上苑公寓土壤源热泵地下温度场进行了计算,通过计算结果与实际情况的对比可以看出,有限元线法的计算结果反映了地下换热器的传热规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 土壤源热泵的原理及分类
• 1.2.1 土壤源热泵的工作原理及基本结构
• 1.2.2 土壤源热泵的特点
• 1.2.3 土壤源热泵分类
• 1.3 国内外土壤源热泵的发展和现状
• 1.3.1 国内土壤源热泵的发展和现状
• 1.3.2 国外土壤源热泵的发展和现状
• 1.4 传热学的数值方法
• 1.5 本课题的主要研究工作
• 2 工程实例
• 2.1 工程介绍
• 2.2 试验装置和环境
• 2.2.1 试验装置
• 2.2.2 试验环境
• 2.3 试验记录
• 3 地下传热过程的数学模型
• 3.1 土壤特性描述
• 3.1.1 土壤的组成成分及导热系数
• 3.1.2 土壤的温度变化情况
• 3.2 地下温度场的传热模型
• 3.2.1 基于线理论的传热模型
• 3.2.2 基于柱理论的传热模型
• 3.2.3 基于数值解法的传热模型
• 3.3 本文采用的模型方法
• 4 用矩形有限元线法分析二维稳态温度场的计算过程
• 4.1 温度场的数学模型
• 4.1.1 温度场的特点及分类
• 4.1.2 导热基本定律
• 4.1.3 温度场的边界条件
• 4.1.4 第一类边界条件下平面稳定温度场的变分
• 4.1.5 第二类边界条件下平面稳定温度场的变分
• 4.2 二维稳态导热的解析解
• 4.2.1 分离变量法
• 4.3 温度场计算的有限元线法模型
• 4.3.1 有限元线法
• 4.3.2 FEMOL离散化
• 4.3.3 温度插值函数
• 4.3.4 a×b单元的有限元线法模型
• 4.3.5 单元温度函数矩阵集成（ODE体系）
• 4.3.6 给定结线温度的处理
• 4.4 数值算例
• 4.5 工程算例
• 4.5.1 模型简化及计算过程
• 4.5.2 求解结果
• 5 有限元线法程序系统
• 5.1 ODE求解器
• 5.1.1 COLSYS求解问题与范围
• 5.1.2 COLSYS求解功能
• 5.1.3 COLSYS使用方法
• 5.1.4 COLSYS精确性验证
• 5.2 有限元线法程序的结构
• 5.3 有限元线法程序的功能
• 5.4 有限元线法程序的特点
• 6 结论与展望
• 6.1 主要的研究结论
• 6.2 有待进一步开展的研究工作
• 参考文献
• 附录: 有限元线法程序
• 在学研究成果
• 致谢