[发明专利]中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法

权利要求书

1.一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，包括参数设定和设计计算部分；

所述参数设定包括：设定地埋管结构参数和系统热物性参数以及系统运行参数；

所述设计计算部分具体步骤包括：

步骤一，依照经验预设钻孔设计深度的初始范围，取钻孔设计深度的下限H_L足够小，确保该下限的值必然低于所求钻孔设计深度的值；

步骤二，取上述范围的上限H_U和下限H_L分别作为计算的钻孔深度；

设定径向边界，将岩土和流体计算区域沿纵向和径向划分为若干计算网格，并计算岩土和流体计算区域初始温度场分布；

对流体在岩土中换热过程进行分析并列出控制方程，对控制方程进行离散并求解，得到计算区域内流体温度场和岩土温度场随时间的变化趋势，输出地埋管循环液进口温度；

步骤三，以地埋管循环液进口温度为判据，判断钻孔深度是否满足要求；若不满足要求，将重设钻孔深度，进入步骤一，继续下一轮计算；若满足要求则输出该钻孔深度值，即为钻孔设计深度。

2.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，参数设置具体包括：地埋管结构参数、系统热物性参数和系统运行参数；

所述地埋管结构参数包括钻孔直径、钻孔内管和外管直径及钻孔内管和外管壁厚；

所述系统热物性参数包括管道导热系数和热容、流体对流换热系数和热容、岩土及回填材料的导热系数和热容、岩土温度梯度及地表空气温度和对流换热系数；

所述系统运行参数包括地埋管设计热负荷、运行年限、时间步长及运行流量。

3.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤二中岩土初始温度场分布计算公式为：

其中，t_a是地表空气的温度，单位℃；是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；ha是空气地表对流换热系数，单位W/(m²·k)；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；H是岩土深度，单位m；z是沿纵深方向的z坐标。

4.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤二中控制方程为：

其中，ρc是热容，单位J/(m³·k)；t为温度，单位℃；τ是时间，单位s；是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；r为沿径向的r坐标。

5.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤三中以地埋管循环液进口温度为判据的具体步骤为：

得到地埋管循环液进口温度随时间的变化值后取其运行周期内的最小值，对应于钻孔深度为H_U、H_L分别得到进口温度T_U和T_L，分别与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT_U和ΔT_L；

首先判断若ΔT_U·ΔT_L≤0，则所求钻孔设计深度在预设钻孔深度范围内；

判断H_U和H_L的差值，若二者差值的绝对值小于判断误差的小量，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；若二者差值的绝对值大于判断误差的小量，则取H_U和H_L的中间值H再次投入计算，得到进口温度T，与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT；

再次进行判断，若ΔT_U·ΔT≤0，表明所求钻孔设计深度在H_U和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_L；若ΔT_U·ΔT＞0，表明所求钻孔设计深度在H_L和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_U＝H；得到新的钻孔深度范围后，再次进行H_U和H_L的差值判断，以此类推，直到满足二者差值的绝对值小于判断误差的小量这一条件，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；

若ΔT_U·ΔT_L＞0，表明在H_U和H_L的范围内，并没有满足要求的钻孔深度，由于预设钻孔深度下限H_L足够小，因此将H_U扩大一倍，再次进行计算，直至找到满足要求的钻孔设计深度。