[发明专利]一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法

权利要求书

1.一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，其特种在于，包括：

获取地埋管换热器的结构和热物性参数；

对地埋管换热器的结构和热物性参数进行无量纲化处理；

基于预构建的三维热阻关联式根据结构和热物性参数的无量纲参数计算地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻；

其中，所述三维热阻关联式的构建包括：

基于有限元模拟软件，构建地埋管换热器的三维传热数值模型；

对三维传热数值模型的结构和热物性参数进行无量纲化处理；

根据结构和热物性参数的无量纲参数基于Box-Behnken设计建立正交表；

基于正交表获取地埋管换热器在结构和热物性参数下三维传热数值模型的钻孔热阻和总内热阻；

对钻孔热阻和总内热阻进行无量纲化处理；

根据结构和热物性参数、钻孔热阻和总内热阻的无量纲参数基于响应曲面法构建三维热阻关联式；

其中，所述地埋管换热器的结构参数包括钻孔深度、钻孔直径、管径和管间距；所述地埋管换热器的热物性参数包括土壤导热系数、回填材料导热系数、管壁导热系数和管内流体速度。

2.根据权利要求1所述的一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，其特种在于，所述结构和热物性参数的无量纲参数为：

式中，θ₁、θ₂、θ₃、σ₁、σ₂、R_e为结构和热物性参数的无量纲参数，X_c为管间距，d_b为钻孔直径，d_po为管外径，λ_g为回填材料导热系数，λ_s为土壤导热系数，λ_p为管壁导热系数，u为管内流体速度，d_pi为管内径，u_f为管内流体的动力粘度，ρ_f为管内流体的密度，H为钻孔深度。

3.根据权利要求1所述的一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，其特种在于，所述三维传热数值模型由内向外包括管内流体、单U型管管壁、钻孔内回填材料、钻孔壁以及土壤，所述单U型管的两端设为进水管和出水管；设置三维传热数值模型的结构和热物性参数、计算区域、计算时间、边界条件和初始条件，并将单U型管的进水管管口设为三维传热数值模型的温度及压力入口边界，并将单U型管的出水管管口设为三维传热数值模型的温度及压力出口边界。

4.根据权利要求3所述的一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，其特种在于，所述三维传热数值模型的结构和热物性参数与地埋管换热器的结构和热物性参数种类相同；所述计算区域的远边界距离设置为a_s为土壤导热系数,；所述计算时间设置为钻孔内传热达到准稳态所需时间：t为计算时间，r_b为钻孔半径，a_b为回填材料导热系数；所述边界条件设置为绝热边界条件；所述初始条件设置为管内流体、单U型管管壁、钻孔内回填材料、钻孔壁以及土壤的初始温度恒定。

5.根据权利要求4所述的一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，其特种在于，所述获取地埋管换热器在结构和热物性参数下三维传热数值模型的钻孔热阻和总内热阻包括：

采用自由三角形网格对三维传热数值模型的计算区域进行网格划分，通过对划分后的网格进行网格无关性验证，确定最优网格数量；

利用有限元法对三维传热数值模型中流体传热热微分方程和固体传热微分方程进行离散和求解，得到三维传热数值模型的温度场分布情况；

根据温度场分布情况，计算三维传热数值模型中进水管和出水管的管内流体沿管长方向的平均温度和传热量以及靠近进水管和出水管的钻孔壁沿钻孔深度方向平均温度和传热量；

根据计算得到的平均温度和传热量基于预构建的热阻模型计算地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻。