[发明专利]一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法

摘要

本发明公开了一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法，本发明将热泵系统竖直地埋管换热器的逐时吸排热热流表示为矩形脉冲热流序列，通过引入单位矩形脉冲热流作用下地下岩土无量纲瞬态温度响应—函数的概念，获得其积分区间为[0，]的函数，将钻井参数带入设计计算，保证计算结果准确可靠，极大地减少了计算时间，为竖直地埋管换热器参数化设计提供了一种高效的计算方法。

主权项

1.一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）根据竖直地埋管换热器钻井群可使用地面面积，初步选取一组钻井参数配置：钻井间距参数D,偏移距离x，及钻井数N,钻孔半径r_b，钻孔深度H，岩土导热系数k_s，岩土热扩散系数，需要设计计算的热泵系统运行年数n；2）将地源热泵系统中需要由地埋管换热器从地下提取或排入地下的1年中每个小时时刻的热量除以(HN)后,表示为单位竖井长度逐时传热热流的矩形脉冲序列[(q(t₁),q(t₂),q(t₃),…,q(t₈₇₆₀)]；3）利用单个钻井有限线热源模型在单位阶跃热流作用下导出的地下任意深度z或h和半径距离r无量纲瞬态温度响应g函数的解析形式：(1)式中，；；；；；，称为傅里叶时间；为时间；erfc(z)为余误差函数，；求式(1)g函数对傅里叶时间变量Fo的偏导数，有(2)得到地下任意深度和半径距离g函数的另一解析形式：(3)4）用两个大小相同、方向相反、时间相差的阶跃热流叠加得到矩形脉冲热流，定义函数为单个钻井在单位矩形脉冲热流作用下地下任意深度和半径距离无量纲瞬态温度响应，那么，函数解析形式为：(4)式中，为傅里叶时间步长,；为时间步长，在设计计算中取为1小时，那么，钻井壁面中点温度的函数为:(5)钻井壁面平均温度的函数为:(6)式中，；5）步骤1）中所选取钻井中任一钻孔孔壁的中点温度和平均温度的函数分别为：(7)(8)地下岩土初始温度为，在矩形脉冲热流序列[(q(t₁),q(t₂),q(t₃),…]的作用下，单钻井地下任意深度和半径距离的相对瞬态温度为：(9)当时，为钻井壁面温度，钻孔壁面相对瞬态中点温度和平均温度为：(10)(11)6）由相对瞬态温度得到地下岩土各时刻的温度或钻孔壁面各时刻的温度，用流体平均温度方法计算单U型和双U型管的钻孔内热阻R_b，那么地埋管换热器各时刻的管内流体温度计算如下：(12)或(13)由流体温度和热泵的性能比，算出热泵系统的耗能量；7）对于不同的钻井参数组合，重复上述计算步骤，计算出各组参数的钻井总长度、钻井壁面温度和管内流体温度。