土壤源热泵系统运行特性的快速预测方法

土壤源热泵系统的逐时运行特性预测对于系统设计和运行策略评估是十分重要的。该文在分析地埋管换热器传热基本原理的基础上,通过与动态负荷作用下"负荷叠加"的G函数法的对比,提出了一种热泵系统运行特性的快速预测方法。在进行年逐时运行特性预测时,通过与采用有限长线热源模型加准三维钻孔热阻模型换热器的某热泵系统算例计算结果的比较,该文预测方法对应的主要性能指标相对误差均低于1%,计算耗时仅为原方法的1/1000。该方法对于土壤源热泵系统的设计和应用具有十分重要的意义。     

模式搜索算法在地埋管换热器热阻确定中的应用

为了准确确定土壤源热泵系统地埋管换热器的热物性参数和热阻,该文以地埋管换热器线热源模型为基础,结合土壤的热响应试验,提出了一种应用模式搜索算法确定土壤综合导热系数和地埋管换热器热阻的方法。搜索算法实施时,热阻作为一个待定参数,不必考虑换热器的各项物理参数,降低了运算工作量。试验实测结果表明,应用模式搜索算法后该文试验条件下确定的土壤综合导热系数的相对误差为1.42%,热阻的相对误差为1.73%;通过与其他方法比较,模式搜索算法确定的参数的相对误差较小,算法精度较高,可靠性较高;该研究结果为土壤源热泵系统的设计与应用提供参考。     

考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。     

温室环境温度预测自适应机理模型参数在线识别方法

温室小气候模型具有非线性、强干扰、时变等特性,常用的线性化模型或离线辨识模型无法有效预测温室环境动态变化规律,模型精度不高直接影响温室环境控制性能。针对模型的这种复杂特性,该文以温度模型为例,提出利用连续-离散递推预测误差算法,对非线性模型参数和状态进行在线估计,以提高模型精度。首先,考虑加热和通风2种控制输入,建立了温室温度模型。然后,论述了该算法的原理和优势,算法通过引入并调整增益矩阵,对系统噪声进行在线更新,减少了系统噪声初始化偏差对参数估计收敛性的影响。最后,基于试验温室实测数据,对温室温度模型进行了在线辨识仿真,结果表明,利用连续-离散递推预测误差算法辨识模型拟合度为93.7%,扩展卡尔曼滤波器拟合度为89.5%,该文提出的算法在预测温室温度方面更为有效。     

蓄热过程中竖直U型地埋管周围土壤传热规律

为了探讨不同因素对竖直U型地埋管周围土壤传热规律影响,在试验验证基础上,基于有限元分析法建立二维非稳态物理数学模型,分析了土壤类型、地埋管管径、热流密度、地埋管管脚间距和热泵运行模式对竖直U型地埋管周围土壤温升率和热作用区域的影响。研究表明:地埋管附近土壤温升率随热泵运行时间的增加呈现先迅速增大后下降最后趋于稳定的变化规律;热作用区域随热泵运行时间的增加而增加;轻土适合作为地源热泵长期运行的蓄热材料;土壤温升率及热作用区域均随地埋管管径和热流密度的增加而增加;热泵间歇运行时,土壤温升率曲线表现为先上升后下降,且随热泵开停比的减小而减小。在本研究计算条件下,地埋管管脚间距宜取120 mm。经试验验证,本研究所建模型吻合度较好,其最大误差为1.4%。     

基于热平衡分析的地埋管地源热泵换热方案模拟优化

为了确保丹阳中心城区浅层地热能可持续开发利用,避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期间出现热堆积问题,基于地下水渗流和热量运移原理,建立了丹阳中心城区地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型,结合未来地埋管地源热泵系统的运行工况,预测丹阳中心城区地下温度场的热平衡发展趋势。在此基础上,规划设计了3种优化方案:(1)按行政区划Ⅰ~Ⅴ个开发利用分区,调整地埋管间距分别为18,23,17,20,20 m;(2)地埋管间距5 m,加热秋季生活用水Ⅰ区157 798 m~3/d、Ⅱ区413 235 m~3/d、Ⅲ区339 322 m~3/d、Ⅳ区261 266 m~3/d、Ⅴ区27 6205 m~3/d,加热春季生活用水Ⅰ区473 394 m~3/d、Ⅱ区123 9705 m~3/d、Ⅲ区1 017 966 m~3/d、Ⅳ区783 798 m~3/d、Ⅴ区828 615 m~3/d;(3)地埋管间距5 m,增设冷却塔辅助地埋管换热孔进行夏季排热,冷却塔夏季冷却温度Ⅰ区为4.35℃、Ⅱ区为6.12℃、Ⅲ区为4.87℃、Ⅳ区为5.29℃、Ⅴ区为4.80℃。3种方案均可以有效减缓和避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期内的热堆积问题。地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型是优化确定浅层地热能地埋管地源热泵可持续开发利用方案的有效方法。     

基于时序的水田平地机俯仰角预测建模与试验

水田硬底层高低不平引起拖拉机姿态变化,反馈控制系统的偏差信号始终滞后于实际运动姿态一个控制周期,影响平地铲的即时控制,若采用预测控制可根据预测信息提前施加控制量从而改善系统动态响应,其中预测模型是预测控制律设计的基础和关键。为实现水田平地机平地铲高程预测控制,该文提出了一种水田平地机俯仰角预测模型在线辨识及其参数估计方法。通过对平地机俯仰角传感数据预处理、结构识别和残差诊断,设计了ARMA(18,17)作为平地机俯仰角预测模型,采用遗忘因子递推最小二乘算法(forgetting factor recursive least square,FFRLS)对模型参数进行在线估计并实时更新。利用姿态航向参考系统(attitude and heading reference system,AHRS)采集不同地况下平地机俯仰角数据同步在线建模,并将模型输出与AHRS实测值比较,结果表明:ARMA(18,17)模型输出结果与AHRS实测值变化趋势一致,最大绝对误差与均方根误差均不超过0.2?,验证了ARMA(18,17)作为平地机俯仰角预测模型和FFRLS在线辨识方法的有效性,为后续水田平地机平地铲预测控制律设计提供了理论参考。     

太阳能PV/T集热器耦合土壤源热泵复合系统运行特性

太阳能PV/T集热器耦合土壤源热泵复合系统（Photovoltaic/Thermal Collector-Ground-Coupled Heat Pump systems,PV/T-GCHPs）是一种可实现太阳能和浅层地热能互补利用的供能系统。该研究通过建立PV/T-GCHPs数学模型,在模拟研究系统运行特性的基础上,与对应的光伏（Photovoltaic,PV）系统、土壤源热泵系统（Ground-coupled Heat Pump systems,GCHPs）的性能进行了对比分析。结果表明,PV/T-GCHP中由于地埋管换热器(Borehole Heat Exchanger,BHE）的冷却作用,光伏电池板表面温度降低而显著提高了其光伏效率,相对于PV系统运行20 a的总发电量增加了20 322 kW·h;对应于相同的建筑负荷,PV/T-GCHPs在降低BHE初投资的同时,系统20 a的COP平均值较GCHPs提高了32.23%。在系统的全寿命周期内,PV/T-GCHPs的全寿命周期成本较对应的GCHPs节省了77 192.45元,具有显著的经济效益。PV/T-GCHPs增强了地热能和太阳能的互补优势,研究结果为该系统在中国严寒和寒冷地区的推广应用奠定了理论基础。     

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明：同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。     

桩基螺旋型地埋管换热器换热性能的数值模拟与验证

为了探讨不同因素对桩基螺旋型地埋管换热性能的影响,建立了桩基螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了桩基直径、桩基深度、螺旋管组数、土壤类型对桩基螺旋型地埋管换热量及土壤温度分布的影响,结果表明:增加桩基直径有利于改善桩基的蓄热能力、提高螺旋型埋管的换热性能,但是单位管长换热量会减小,因此,桩基直径不可无限制增加;桩基深度的增加有利于提高桩基螺旋型埋管换热器的换热量,而且对单位长度桩基的换热量影响很小,因此,可以通过增加桩基深度来提高换热量;同样条件下,黏土、砂土、砂岩中砂岩最有利于桩基换热器换热,土壤温度上升速率和幅度最低,而黏土换热效果最差,土壤温度上升速率最快;此外,螺旋管组数越多,换热器换热量越大,但是单位管长换热量会大幅下降。试验验证表明:所建桩基螺旋埋管模型预测出的换热量与土壤温度值与对应试验值吻合较好,其最大相对误差分别在9.7%与9.2%以内。     

土壤源热泵非稳态热流热响应试验中岩土热物性参数的确定

在土壤源热泵系统现场热响应试验时,复杂的现场状况会影响热响应试验中恒加热功率的实现,结合测试现场的实际状况,该文提出了非稳态热流工况下确定岩土热物性参数的方法。通过建立非稳态热流热响应试验系统模型,实施系统优化,使地埋管换热器进出水平均温度计算值和实测值的平方和最小,确定最优的岩土导热系数和容积比热容2个参数。对比同一测试地点的恒热流和非稳态热流热响应试验确定的2个热物性参数的结果,非稳态热流工况系统优化方法确定的岩土导热系数的相对误差为1.2%,容积比热容的相对误差为0.7%。同时,在非稳态热流工况下,利用系统优化方法确定热物性参数可适当缩短热响应试验的测试时间,降低了测试成本,为土壤源热泵系统热响应试验的实施和岩土热物性参数的确定提供了重要参考。     

竖直埋管换热器热响应半径计算方法

随着能源压力的日益增大,世界各国都十分重视可再生能源的利用与开发,地源热泵技术作为一种清洁、高效的可再生能源,近年得到了较快的发展。该文利用无限长线热源传热计算模型,讨论了介质内过余温度场的分布特性。结果表明：介质内温度响应在孔壁处最大,随离孔壁距离的增加呈指数衰减,随时间的增加而增大;热传播区域随时间的增加而增大,随介质的热扩散系数的增加而增大。针对工程中群埋管换热器情况,利用叠加原理计算群埋管的孔壁温度,定义换热器的热响应半径为其他钻孔引起的过余温度影响系数≤5％时相邻钻孔中心线之间的垂直距离。在大量计算分析基础上,提出了竖直埋管换热器热响应半径计算方法。计算结果表明该文方法具有较好的计算精度,竖直埋管换热器的热响应半径随岩土热扩散系数增大而增大,随持续运行时间增加而增大,随钻孔排数增加而增大,随着钻孔孔径增大而增大;钻孔布置方式不同对钻孔热响应半径的影响较明显,相同布置方式下钻孔直径对其热响应半径的影响较小。针对工程中常见的115和135 mm 2种孔径,绘制了不同岩土介质下钻孔单排、双排和三排以上布置时热响应半径-运行时间的关系曲线。工程算例表明该文方法简单方便,为工程设计提供了便利。     

基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性

为建立井群换热快速求解模型并研究其热干扰特性,提出了一种基于解析-数值计算的混合解模型,以16井群为研究对象,通过试验和数值模拟的方法研究了井群热干扰特性。研究结果表明:随着换热的进行井群中各井间产生热干扰并逐渐增强,同一运行时刻中井受热干扰程度最大、边井次之、角井则最小;由于井间热干扰的影响,角井换热能力最大、井壁温度最低,边井换热能力和井壁温度居中,中井换热能力最小、井壁温度最高,则运行90 d时角井换热量比边井大6.5%,边井换热量比中井大7.1%;角井对井群换热量的贡献率随换热时间延长逐渐增加,中井对井群换热量的贡献率则逐渐减少,而边井对井群换热量的贡献率基本不变。     

土壤蓄热-放热过程中地埋管周围土壤温度特性模拟

为探索内蒙中部地区地源热泵蓄热-放热过程中地埋管周围土壤温度变化特性,以垂直U型地埋管周围土壤为研究对象,基于有限元分析法建立了二维非稳态传热物理数学模型。在与试验结果进行验证的基础上,对土壤蓄热、放热和蓄热-放热耦合过程进行模拟研究。分析了热作用半径、单位管长换热量和土壤温度随热泵运行时间及运行模式的变化规律;单一条件下的蓄热、放热以及蓄热-放热耦合模式下土壤热平衡问题,探讨了流体入口流速、温度、土壤类型和热泵运行模式等因素对土壤温度场的影响。研究结果表明:热作用半径随蓄热时间的增加而增大且逐渐趋于平缓,热泵运行25和28 d后,热作用半径分别为3.3和3.4 m;流体入口温度对热作用半径及单位管长换热量影响较大但流体流速影响较小,流体入口温度和速度分别为40、60℃和0.6、1.2 m/s时,对应热作用半径分别为3.7、4.5和3.5、3.6 m。合理的间歇运行模式对换热量及埋管周围土壤温度的恢复均有改善;土壤导热系数越大土壤温度恢复时间与效果越佳,土壤导热系数为3.1 W/(m?K)时恢复后温度为9.3℃(土壤初温9.5℃)。此外,蓄热-放热耦合模式下换热量不等对土壤热平衡具有较大影响。试验验证表明,所建模型具有一定的准确性其相对最大误差为5.35%。     

日光温室地下热交换系统的理论研究

运用传热学的基本理论,建立了日光温室地下热交换系统土壤温度场的数学模型,编制了计算机求解软件。该软件可以用于分析地下热交换系统热特性和土壤温度场的分布状况。它是日光温室地下热交换系统设计和优化设计的基础。     

动态调整粒子群-霍尔特模型在径流预测中的应用

为了提高水库和河流中长期径流预测精度,针对粒子群算法存在的缺陷,提出了动态调整粒子群算法（DAPSO）。借助霍尔特-温特斯线性季节性模型的预测功能,应用DAPSO算法求解和优化霍尔特-温特斯线性季节性模型组合参数,形成动态调整粒子群-霍尔特-温特斯线性季节性模型组合算法,对石泉水库进行中长期径流预测。仿真计算表明,动态调整粒子群-霍尔特-温特斯线性季节性模型算法收敛速度快于霍尔特-温特斯线性季节性模型算法、粒子群-霍尔特-温特斯线性季节性模型算法。该组合算法克服了按梯度试算法搜索质量差和精度不高的缺点,输出稳定性好,预报精度显著提高,置信度为95%时的预测相对误差小于6%。该算法可应用于水库和河川中长期径流预测。     

热渗耦合的分层土壤中管群换热器热性能分析

准确获取管群换热器在复杂土壤中的传热情况,有利于合理设计地源热泵系统。该研究建立了考虑地下水渗流的三维管群分层数值模型,通过引入区域热效率(E)和动态性能损失(Dynamic Performance Loss,DPL)2个指标,评估不同因素对渗流作用下管群在分层岩土中传热的影响。结果表明:当渗流速度为100m/a且渗流层厚度较大时,管群在分层岩土中的传热可以简化为在均质岩土中的传热;通过调整不同导热系数的土壤层的位置和厚度,管群区域热效率的变化可以忽略不计;变等效入口流速和变入口温度的变化对管群区域热效率的影响可以忽略。在渗流速度为100 m/a、连续运行2 000 h、管间距为3 m的叉排管群,下游DPL仅比管间距为6 m的顺排管群高1.27个百分点。因此,当渗流速度为100 m/a且渗流层厚度较大时,建议顺排和叉排的管间距分别为4和3 m。此外,渗流速度越大,管群的区域热效率越大,DPL越低,且趋于稳定的速度越快。研究结果可为合理设计热渗耦合分层土壤中的地埋管管群以及有效缓解土壤热堆积提供参考依据。