多重熱源を用いた地中熱空調システムの設計精度の向上に関する研究

提高多热源地热空调系统设计精度的研究

基本信息

批准号：
14J10535
负责人：
崔元準
金额：
$ 1.28万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地中熱利用ヒートポンプの核心構成要素である地中熱交換器の設計に必要なパラメータは、土壌の有効熱伝導率と地中熱交換器の熱抵抗である。それらのパラメータを推定するために熱応答試験（TRT：Thermal response test）が行われる。TRTは統制ができない室外環境で行われるので、様々な外乱により実験結果の精度が落ちる。そして、地中の熱輸送がどのようなプロセスにより行われるかも間接的に確認するしかないため、TRTの結果は不確かさが大きくなる。この問題に関する分析と解決策を提案するのが本研究の目的である。１年目にはTRTを行うときに外乱として作用する外部環境から外乱を分析し、どのように安定的な推定ができるかに関する研究を行った。2年目には、飽和多孔質地層で熱応答試験を行うとき、地中自然対流が生じることにより実験結果が熱注入率の大きさに依存することを明らかにすることを目的とした研究を行った。地中の自然対流の発生を既存のTRT法で確認するときの問題は、時間経過に伴う地中条件の変化である。既存の単一熱量率を用いたTRTを複数回行うと、一回の実験の後、地中温度が元の温度に回復するまでに1ヶ月程度の休止が必要である。そうすると、休止期間中に地中の温度、飽和度、地下水位などが変化し、異なる実験条件の影響が大きいため、実験結果を信頼できなくなる。この問題を解決するために開発したのが、多重熱量率を用いたTRT法とそれの解析アルゴリズムである。多重熱量率TRT法は、一回のTRT期間中に注入熱量率を変えることである。この実験は5-7日程度の期間内に終わるので、地中条件の著しい変化は考えられない。しかし、既存の推定法を用いて推定することはできないので、多重熱量率TRT法に合わせて新しい推定法を開発する必要がある。申請者は線源熱源モデルと準ニュートン法を結合した推定モデルを開発した。

地热换热器是地热热泵的核心部件，设计所需的参数是土壤的有效导热系数和地热换热器的热阻。执行热响应测试 (TRT) 来估计这些参数。由于TRT是在不受控制的室外环境中进行的，各种外界干扰降低了实验结果的准确性。此外，由于只能间接证实地下传热过程，TRT的结果存在很大程度的不确定性。本研究的目的就是分析这个问题并提出解决方案。第一年，我们分析了TRT时外部环境的干扰，并研究了如何进行稳定的估计。第二年，我们进行了研究，旨在澄清在饱和多孔地层中进行热响应测试时，实验结果取决于由于地下自然对流的发生而产生的热量注入率。利用现有的TRT方法确认地下自然对流发生的问题是地下条件随时间的变化。如果使用现有的单一热率进行多次TRT，一次实验后地下温度需要休息一个月左右才能恢复到原来的温度。如果出现这种情况，暂停期间地下温度、饱和度、地下水位等都会发生变化，不同实验条件的影响会很大，使得实验结果不可靠。为了解决这个问题，我们开发了使用多种热量率的TRT方法及其分析算法。多热量率TRT方法是改变一个TRT周期内注入的热量率。由于本次实验将在大约5-7天内完成，地下条件不太可能发生重大变化。但利用现有的估算方法无法进行估算，因此需要结合多热率TRT方法开发新的估算方法。申请人开发了一种结合了线热源模型和拟牛顿法的估计模型。