[发明专利]一种快速获取中深层地热地埋管取热能力的方法

说明书

本发明公开了一种快速获取中深层地热地埋管取热能力的方法，构建中深层地热地埋管柱坐标二维瞬态换热模型，根据内管水、外管水以及土壤之间的换热过程，基于有限体积法对换热过程进行了建模分析，包含边界条件设置部分及换热过程数学计算部分，利用模型得出地埋管取热性能以及地下实时温度分布。本发明为快速获取中深层地热地埋管取热能力计算提供了一种方法，该传热理论分析模型具有良好的动态准确性，可以指导后续的研究分析。

技术领域

本发明涉及地热能利用技术领域，尤其涉及一种快速获取中深层地热地埋管取热能力的方法。

背景技术

我国地热资源分布广泛，储备丰富，同时地热能又具有绿色低碳、持续稳定的特点。合理开发地热能，实现可再生能源的高效利用，对我国节能减排、改善大气环境、解决能源安全问题具有重大意义。特别是对于深度在1-3千米，岩层温度50-100℃的中深层地热能，其热量主要来自于地心放射性元素的衰变以及地球形成时势能转化的热能，相比于浅层地温能具有深度更大、温度更高、蕴藏热量更大、更加持续稳定的特点，在提升供热系统运行性能的同时，还可以减少系统横向占地面积，增强了技术的适用性和推广价值。

地球形成时势能转化成为的热能以及地幔层放射性元素持续衰变产生的热量，使得地下200m以深的土壤形成了平均3℃/hm的温升梯度，越往深处土壤温度越高，而地下3km土壤温度接近100℃。而对于200米以前的浅层地温能，受太阳辐射影响大，沿深度方向整体温度恒定，这也是中深层地热能与浅层地温能的关键区别。因此对于中深层地热地埋管的换热分析，既要考虑半径方向的热量传热，同时也必须考虑深度(轴向)热量传递，相比于浅层地埋管增加了一个维度，问题也更加复杂。因此对地埋管换热器取热能力进行分析计算，具有很重要的意义。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种快速获取中深层地热地埋管取热能力的方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种快速获取中深层地热地埋管取热能力的方法，构建中深层地热地埋管柱坐标二维瞬态换热模型，根据内管水、外管水以及土壤之间的换热过程，基于有限体积法对换热过程进行了建模分析，包含边界条件设置部分及换热过程数学计算部分，利用模型得出地埋管取热性能以及地下实时温度分布。

进一步地，边界条件设置部分包括：土壤控制体表面及底部温度设置、中深层地热地埋管管底温度设置、径向远边界条件设置。

进一步地，土壤控制体表面及底部温度设置其中的土壤控制体表面温度采用恒温边界条件，温度取为地表全年平均温度，作为第一类边界条件；其中的土壤控制体底部温度，存在稳定的地热热流密度，作为第二类边界条件；

中深层地热地埋管管底温度设置，热源水由外管流入内管，因而内管管底与外管管底水温近似相等；

径向远边界条件设置，当径向远边界半径取的足够远时，中深层地热地埋管长期运行下土壤温度变化未能影响至径向远边界，在径向足够远处取第一类边界条件，按照定温边界条件给出；

对于中深层地热地埋管，深度达到2～3千米，由于地热热流的存在形成了温度梯度，地下温度初始分布为：

t_g(z)＝t_g，s+D·z

其中t_g(z)代表土壤温度沿深度方向分布，单位℃；t_g，s代表地表温度，取值为地表全年平均温度，单位℃；D代表温升梯度，单位℃/m；z代表土壤深度，单位m。

进一步地，方法的步骤包括：

步骤一，热源水在循环水泵的驱动下，从外管向下流动，一方面通过外管管壁与周围土壤进行换热，同时通过内管管壁与内管水进行换热；热源水到达管底后从内管向上流动，通过内管管壁与外管水进行换热；在明确上述流动和传热过程后，对各控制体能量变化提出数学表达式；