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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于遗传算法的岩土热物性参数确定方法研究 姓名：张锦玲 申请学位级别：硕士 专业：供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师：胡平放 20090531 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 0B 摘摘 要要 随着社会的进步与发展，能源危机与环境恶化使人们渐渐意识到能源并非取之 不尽用之不竭的， 而对环境的破环会反过来危及人类的生存。 在这种时代大前提下， 具有节能环保优势的土壤源热泵得到越来越广泛的应用。但土壤源热泵的节能、环 保性质并不是必然的，若设计使用不当，会使系统无法正常发挥优势，甚至形同虚 设。要真正实现土壤源热泵节能环保
2、的价值，就要求合理地设计地下换热器部分。 岩土热物性参数是地下换热器设计过程中一些很重要的数据。研究结果表明，当地 下岩土的导热系数或导温系数发生 10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差为 4.5%-5.8%，有可能造成换热量不足或初投资大大增加。因而，能否准确获取岩土 热物性参数关系到换热器设计是否成功。 鉴于岩土热物性参数的重要性，在进行土壤源热泵设计施工之前，往往要先进 行岩土热物性测试，然后通过对实验数据的处理获得岩土热物性参数值。对于数据 的处理方法有多种，虽然能较理想地获得参数值，但还存在一定的不足。考虑到遗 传算法较一般优化算法更准确，鲁棒性更强的特点，本文将遗传算法应用到岩土热
3、 物性参数的确定过程中，运用遗传算法对热响应试验的数据进行处理，更准确地确 定岩土热物性值。同时将这种方法实施到具体工程中，通过实际应用分析方法的可 行性，并对数据做影响分析。 关键词：关键词：土壤源热泵 岩土热物性参数 遗传算法 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1B Abstract With the social progress and development, energy crisis and the deterioration of the environment make people gradually realize that t
4、he energy supply is not inexhaustible, and the destruction of the environment will in turn threaten the survival of humanity. At this time, ground-source heat pump, with energy saving and environmental protection advantages, is being used more and more widely. However, if the ground-source heat pump
5、 system is designed or used improperly, it can not be energy saving, environmental protection, or even exist in name only. To truly achieve the value of a ground source heat pump system, it requires a reasonable part of the design of the underground heat exchanger. Thermal properties of the soil are
6、 some very important data in the process underground heat exchanger design. The results show that if the deviations of the thermal conductivity or temperature coefficient occurred in 10%, then the length of the underground pipe designed would have a deviation of 4.5% -5.8%, it is possible caused the
7、 heat by lack of or significant increase in initial investment. Thus, to obtain thermal properties of the soil properly related to the success of heat exchanger design. In view of the importance of thermal properties of the soil ,the thermal response test is often carried before construction, and th
8、en through the processing of experimental data to obtain the thermal properties of the soil. There are a number of means for data processing, but there are still some deficiencies. Genetic algorithm, taking into account that it is more accurate and more robust than general optimization algorithms, w
9、e will apply the genetic algorithm in the process of determining the thermal properties of the soil. The use of genetic algorithms on the thermal response test data processing, make it more accurately to determine the value of the physical properties of soil heat. At the same time, we used this appr
10、oach to in specific projects, analyzed the feasibility of the approach, and analyzed the data. Key word：Ground-source heat pump The thermal properties of the soil Genetic Algorithm 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已
11、在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1
12、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3B 1 绪论绪论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 地源热泵是一种近年逐渐流行起来的空调技术1，它是利用浅层地热资源实现 既可供热又可制冷的高效节能技术。 热泵的理论基础源于卡诺循环， 与制冷机相同， 是按照逆循环工作的，通过输入少量的高品位能源（如电能） ，实现低温位热能向 高温位转移。一般来说，根据冷热源的不同，地源热泵主要有地下水热泵、河湖水 源热泵、土壤源热泵这几种形式2。 土壤源热泵也称地埋管地源热泵，以地下岩土为冷热源，一般为闭式系统。与 水源热泵相比，土壤源热泵在应用中不会存在地下水回灌、防止水土流失
13、、以及防 止水资源污染等一系列要求，因而推广应用较广泛。 岩土温度全年波动小(约为 1220)，相对于大气温度来说就是冬暖夏凉，因 此一台热泵可同时实现冬季供暖、夏季制冷的双重功效冬季传热介质（水等） 吸收岩土热量，提高温度后对室内进行采暖；夏季传热介质吸收室内多余热量释放 到地能中去，室内温度降低的同时也实现了冬季供暖的热能储备。这样，使室内温 度维持在人体感觉较舒适的范围。 恒定的岩土温度使土壤源热泵的运行效率较传统空调高，运行费用较低，同时 也有利于热泵机组更稳定、可靠地运行；岩土与热泵系统除了能实现供暖，空调， 还能提供生活用热水，一机多用，不仅节能，也消除了常规空气源热泵系统带来的
14、“冷、热污染”燃烧形成排烟、热污染、噪声污染；岩土能源资源主要为太阳辐 射能量，属于可再生能源，应用不受地域限制；机组寿命长，平均可运行 20 年以 上3-6。 地源热泵系统的这些特点使它符合可持续发展的要求， 因而得到越来越多的 重视。 从我国情况来看，地源热泵系统在中国的发展有很大的优势： 我国地域辽阔，从南方到北方地质与气候各异，地源热泵技术适应性强，除了 南方个别地区以外，地源热泵技术均适用于中国绝大部分地区；地源热泵工程地下 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的施工环节耗费很多的劳动力，中国拥有相对低廉劳动力资源的优势；能源紧缺和 环境恶化，
15、使普通百姓对环境和节能意识提高，由于这些原因，地源热泵正在中国 正经历一个高速的发展时期。 设计地源热泵空调系统，最关键是设计埋地换热器。埋地换热器的传热过程受 岩土传热特性、岩土的初始温度、钻孔内外热阻、循环液体流速与流量等因素的影 响，致使很难准确确定埋地换热器的传热性能。其中，岩土的传热特性对埋地换热 器的影响相当大，关系到埋管长度的设计。如果热物性数据掌握不够准确，有可能 导致换热系统设计偏小，不能满足负荷需要，使系统无法发挥正常功效；或导致换 热系统设计过大，钻孔的深度过长，钻孔数量较多，由于钻孔成本极高，过大的设 计造价偏高，从而大大增加初投资，影响系统经济型。研究结果表明，当地下
16、岩土 的导热系数或导温系数发生 10%的偏差， 地下埋管的设计长度偏差达到 4.5%-5.8%， 环管的最高温度产生 1.1-1.2的偏差，而最低温度的偏差也有 0.3-0.4，制冷 能力和制热能力有 1%的变化。为了更准确地确定垂直 U 型管埋地换热器钻井深度 与数量，必须知道岩土的传热特性岩土的导热系数、岩土的热扩散率与岩土的 初始温度。对于地下岩土的热物性参数的研究，对减少地源热泵的地热换热器初投 资具有致关重要的意义，将有利于地源热泵技术在国内的推广、促进自然资源合理 利用7, 8。 1.2 地源热泵发展过程地源热泵发展过程 “地源热泵”的概念最早出现在 1912 年瑞士的一份专利文献中，到 20 世纪 3040 年代，英、美等国进入了热泵的研制阶段。二战后，大规模的应用开始在欧 洲、北美等地兴起。 20 世纪 50 年
