[发明专利]一种优化竖直地热换热器管群间热响应叠加的方法

说明书

本发明公开了一种优化竖直地热换热器管群间热响应叠加的方法，通过判断管群的对称性与否，建立不同的代表区域，再对代表区域内埋管进行分析计算，在计算管群中所有埋管在代表区域埋管壁面上的温度响应时，先叠加管群中所有埋管在代表区域埋管壁面上的温度响应因子，再卷积历史时刻热流与代表区域壁面处的温度响应因子，计算出代表区域埋管壁面处温度，最后通过对称性原理将整个管群区域还原。本发明分别利用对称性原理和先叠加所有埋管在代表区域埋管壁面上的温度响应因子的方法，减少了计算埋管数量和卷积计算次数，从而减少线热源模型解析解模型的计算时间。

技术领域

本发明属于地热换热器传热分析技术，具体为一种优化竖直地热换热器管群间热响应叠加的方法。

背景技术

地源热泵系统作为一种高效、节能且环保的空调系统，在国内外被应用于越来越多的建筑中。地埋管换热器作为系统中关键部件，其换热性能对系统有重要影响。目前竖直地热换热器模型主要分为以线热源模型和柱热源模型为主的解析解模型和数值解模型。解析解模型相比于数值解模型虽然计算时间更短，但在进行大规模竖直地热换热器的计算时，仍要花费大量时间。

竖直地热换热器解析解模型一般是由外传热模型和内传热模型组成，且外传热模型均采用反应系数法(g-函数法)进行计算。在地热换热器管群进行长期传热分析时，由于埋管数量多，模拟时间长，所以外传热模型中计算管群间热响应叠加时计算次数多，从而导致计算时间长。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种优化竖直地热换热器管群间热响应叠加的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种优化竖直地热换热器管群间热响应叠加的方法，具体步骤为：

步骤1：分析竖直地热换热器几何配置，判断竖直地热换热是否存在对称性，若存在对称性，则取对称区域为代表区域，若边界上存在埋管，则将边界处的埋管划到代表区域内；否则整个区域为代表区域。

步骤2：根据时间步长和地热换热器的几何尺寸，计算竖直地热换热器管群中所有埋管在代表区域中第i根埋管壁面处的平均温度响应因子；

步骤3：依次对管群中竖直地热换热器管群中所有埋管在代表区域中第i根埋管壁面处的对应时刻的温度响应进行线性叠加，获得第i根埋管壁面处的历史温度响应因子；

步骤4：对第i根埋管壁面处的历史温度响应与历史热流相乘并叠加，获得代表区域第i根埋管的平均壁面温度；

步骤5：重复步骤2-4，确定代表区域内所有埋管管内流体的温度；

若竖直地热换热器管群存在对称性，利用对称性原理将不在代表区域内的埋管管出口流体温度求出，获得所有管群的地热换热器出口温度；

步骤6：将埋管管群中所有出水温度进行平均，获得竖直地热换热器管群的出口温度。

优选地，根据时间步长和地热换热器的几何尺寸，计算竖直地热换热器管群中所有埋管在代表区域中第i根埋管壁面处的平均温度响应因子的具体公式为：

式中，β_k为埋管群中第k根埋管与代表区域中第i埋管之间的距离与埋管深度的比值；Fo为当前时刻对应的傅里叶时间常数；τ为某一时刻。

优选地，当前时刻对应的傅里叶时间常数具体为：

Fo＝τ·α/H²

式中，α为土壤的热扩撒系数，H为埋管深度。

优选地，对管群中竖直地热换热器管群中所有埋管在代表区域中第i根埋管壁面处的对应时刻的温度响应进行线性叠加，获得第i根埋管壁面处的历史温度响应因子的具体公式为：