[发明专利]一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法

说明书

本发明公开了一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，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计算地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻；三维热阻关联式的构建包括：基于有限元模拟软件，构建三维传热数值模型；对结构和热物性参数进行无量纲化处理；建立正交表；基于正交表获取在结构和热物性参数下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；本发明能够精确计算地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻值，从而确保地源热泵系统的合理高效运行。

技术领域

本发明涉及一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，属于地埋换热器技术领域。

背景技术

垂直地埋管是地源热泵系统的核心部件，其传热性能直接影响了地源热泵系统的运行效益。地埋管换热器热阻是换热器设计的重要因素，需对地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻值进行精确计算。目前地埋管换热器热阻值的计算方法主要包括：现场热响应测试实验法、分析解法以及数值计算法。相较于现场热响应测试实验法和分析解法，数值计算法计算精度高，适用于各种复杂情形，可用于精确计算地源热泵中地埋管换热器热阻。

尽管国内外学者对埋管换热器热阻进行了较为系统的分析研究，但目前仍存在一些亟待解决的问题：1.未考虑钻孔深度对埋管换热器热阻的影响。绝大部分研究仅求得了埋管换热器某一横截面的热阻值，但该热阻为二维概念，无法合理反映钻孔深度对埋管换热器热阻的影响，此外，该二维热阻无法描述管内流体的温度分布；2.未考虑钻孔壁温不均匀对埋管换热器热阻的影响。由于进水管和出水管的温度差异性，靠近进水管的钻孔壁温并不等于靠近出水管的钻孔壁温。然后大多数研究中在钻孔壁面上设定了恒定温度，其势必会导致埋管换热器热阻的精度受到影响，尤其当管段和钻孔壁面距离较小时，钻孔壁面温度均匀的假定会对管换热器热阻造成大于预设值误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，能够精确计算地埋管换热器的钻孔热阻和总内热阻值，从而确保地源热泵系统的合理高效运行。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种垂直地埋管换热器三维热阻计算方法，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。

可选的，所述结构和热物性参数的无量纲参数为：