地源熱泵地埋管隨機傳熱與可靠性理論研究.pdf

1、地源熱泵空調技術在我國的應用，呈現(xiàn)出較大的發(fā)展勢頭。地埋管換熱器作為地源熱泵空調系統(tǒng)的關鍵器件，其換熱功能的優(yōu)劣直接關系到地埋管式地源熱泵空調系統(tǒng)的運行效果。地源熱泵地埋管在巖土介質中的傳熱問題，是近年來暖通與巖土工程領域的交叉學科研究課題，其研究的內容涉及多孔介質的傳熱傳質、地下非穩(wěn)態(tài)傳熱、溫度場隨機分布等復雜問題。長期以來地源熱泵工程界忽略了巖土介質固有的隨機組成與結構性質，偏重于應用確定性的傳熱理論來解釋巖土介質的傳熱現(xiàn)象，并以此

2、作為工程設計的依據(jù)，從而極易導致地源熱泵系統(tǒng)的投資過大或換熱功能不足等問題。在實際工程中，影響地源熱泵系統(tǒng)正常運行的因素極其復雜多樣，而許多因素本身具有顯著的不確定性（主要是隨機性）。正是由于巖土介質傳熱具有的隨機現(xiàn)象，致使在國際上至今還沒有一致公認的地源熱泵換熱器設計計算方法，從而嚴重制約了地源熱泵技術的推廣應用。近年來人們開始更多關注地下埋管及其工況環(huán)境、地質條件和系統(tǒng)運行的復雜性，尤其是隨機性的影響。本文以地源熱泵地埋管在巖土介質

3、中的傳熱問題為研究對象，考慮巖土多孔介質的組成與結構的隨機分布性質，采用隨機傳熱分析、隨機有限元方法、可靠性理論，對巖土隨機熱物性參數(shù)統(tǒng)計方法、隨機傳熱模型、傳熱隨機有限元方法、地埋管可靠性理論與設計方法進行了系統(tǒng)的研究。主要完成了以下工作：
　　 闡述了地源熱泵地埋管換熱器傳熱問題國內外研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有地源熱泵地埋管換熱器傳熱模型，提出了地源熱泵地埋管可靠性設計的概念，以及地埋管隨機傳熱研究的必要性。介紹了地源熱泵系統(tǒng)的基

4、本概念與工作原理，探討了地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱形式與傳熱機理，分析了多因素對地源熱泵性能的影響，以及地埋管設計中的問題與缺陷。
　　 研究了地埋管在巖土介質中的傳熱隨機特性，分析了巖土傳熱參數(shù)現(xiàn)場試驗及確定性計算方法，以及地源熱泵地埋管傳熱隨機影響因素。研究了巖土熱物性參數(shù)隨機性分析方法、巖土材料隨機溫度場及其計算方法、巖土介質隨機場的離散分析模型、隨機場的局部平均理論。在分析巖土介質傳熱特性基礎上，研究了地源熱泵地埋管換熱器隨機

5、傳熱模型，提出了地源熱泵地埋管隨機傳熱溫度場統(tǒng)計分析方法。基于地源熱泵地埋管穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型，提出了地源熱泵地埋管隨機傳熱的隨機有限元分析理論。
　　 研究了地源熱泵地埋管換熱器可靠性基本概念、可靠性指標體系、總負荷隨機影響因素，建立了地埋管換熱器功能狀態(tài)方程，提出了地埋管可靠性設計與分析方法、以及可靠度計算方法。結合工程實例對文本的理論和方法進行了計算機模擬計算分析，研究結果表明本文方法具有重要的理論意義和使用價值。

6、
　　 總之，本文結合現(xiàn)場試驗方法與計算機模擬技術，采用多學科交叉理論，研究了復雜的地源熱泵地埋管隨機傳熱模型，初步揭示了巖土介質的隨機傳熱性質、及其與非穩(wěn)態(tài)傳熱的耦合特征，研究了地源熱泵地埋管與巖土的隨機傳熱機理、隨機溫度場分布規(guī)律，為地源熱泵地埋管隨機傳熱研究開辟了新的研究領域。在深入研究地埋管隨機傳熱模型的基礎上，建立了地源熱泵地埋管隨機傳熱的隨機有限元分析方法，提出了地源熱泵地埋管可靠性理論，為巖土介質隨機傳熱模型的研究