[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

说明书

本发明公开了一种中深层地埋管换热器钻孔深度的设计计算方法，在考虑地温梯度的基础上，建立数值换热模型，模拟地埋管传热过程，对地埋管钻孔深度进行设计计算。已知地埋管的结构参数及系统各部分的物性参数，满足设计热负荷对地埋管钻孔深度进行设计计算，在建筑寿命周期内，地埋管进口水温应满足在一定温度范围内。该方法在满足设计热负荷的基础上，精确的计算出钻孔设计深度值，避免因钻孔设计深度偏小而导致的地埋管内循环液温度降低，热泵机组能效比下降；同时避免因地埋管的钻孔深度过深而造成的钻孔成本浪费，为实际工程的钻孔设计计算提供了数据参考，在实际工程设计过程中，只需调整各项参数，便可通过计算得到钻孔设计深度值。

技术领域

本发明地热能利用相关领域，具体涉及一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法。

背景技术

作为一种可再生能源技术，地源热泵技术在我国得到广泛应用。地球内部热能不断地传输向地表，产生了大地热流，岩土温度随着深度的增加而增加。传统浅层地源热泵深度在80m-150m范围内，岩土温度变化小，温度梯度影响也相对较小，往往不予考虑。而中深层地源热泵具有埋管深，管底温度高的特点，地温梯度成为影响系统取热性能的重要因素，因此浅层换热器的计算模型不再适用。中深层地埋管换热器现存研究多立足于根据工程经验估算钻孔深度，继而对系统进行传热模拟、取热能力评估及运行能耗分析，针对已知设计热负荷对系统进行钻孔深度进行精确的设计计算这一问题尚未解决。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种考虑地温梯度的前提下，精确的计算出钻孔设计深度的计算方法，在实际工程设计过程中，输入各项参数，便可通过计算得到钻孔设计深度值，为实际工程的钻孔设计计算提供数据参考。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，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、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。

作为本发明的进一步改进，参数设置具体包括：

地埋管结构参数包括钻孔直径，钻孔内管和外管直径，钻孔内管和外管壁厚；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，地表空气温度和对流换热系数；系统运行参数包括地埋管设计热负荷，运行年限，时间步长，运行流量；

作为本发明的进一步改进，步骤二中岩土初始温度场分布为：

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；h_a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。