随着国际能源的日益紧张,替代石油的可再生能源不断受到人们关注。地源热泵系统由于其高效、节能、环保的特性,近年来日益得到人们的重视和推广。本文着眼于地源热泵U型埋管换热器的传热性能研究,从而为地源热泵技术的推广利用打下理论基础。 首先分析研究了钻孔外两种换热模型即有限长线热源模型和变热流圆柱源模型。通过建立的有限长线热源模型,求得了半无限大介质土壤的瞬态温度响应,研究了冷热不平衡负荷全年运行对土壤温度的影响,分析了钻孔壁温度沿深度方向的变化特性。研究结果表明：距离线热源越远,达到“准稳态”所用的时间越长。土壤温度受热流影响的程度越小。随着孔洞深度的增加,钻孔壁温度先急剧增大,然后基本保持稳定,最终呈下降趋势。鉴于有限长线热源模型与实际传热模型不甚吻合,建立了更加符合实际情况的变热流圆柱源模型,该模型考虑到了地源热泵系统在实际运行中,埋管换热器从土壤中的取(放)热量随建筑负荷的变化,并引入了“负荷累积效应”来简化模拟全年逐时动态负荷的模型。 建立了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,通过对U型埋管两支管内循环流体的能量平衡方程的分析与推导,求得了该传热问题的解析解,得到了计算U型管换热器中流体温度沿深度变化的解析式。进一步研究了回填材料、管内流量、管脚间距、管材导热系数等因素对地埋管换热器换热性能的影响,并引入了钻孔换热效率来评价地下换热器的换热性能。 介绍了计算地埋管长度的工程设计半经验公式方法,由于该模型中存在着过多的假设和简化,造成了地埋管的设计长度偏大。本文基于钻孔壁温度耦合了钻孔内外模型,采用Visual Basic编写了一套适合于地下换热器设计计算的工程应用软件。该软件嵌入了EXCEL数据接口,可以方便地输入全年动态负荷,并且能够显示地源热泵机组全年运行的温度曲线、最热月运行的温度曲线、最冷月运行的温度曲线。 参与搭建了用于测试土壤热物性的地源热泵试验台。结合地源热泵系统单井热响应测试实验,得到了地下埋管回路中循环水温度随时间的变化规律。并以理论计算得到的流体平均温度和现场实测的流体平均温度的方差为目标函数,以土壤导热系数,钻孔内热阻为优化变量,采用MATLAB遗传算法进行优化,得出了理论计算的土壤导热系数和钻孔内热阻。