[发明专利]U型中深层地埋管换热器换热性能的简化计算方法

说明书

本发明公开了一种U型中深层地埋管换热器换热性能的简化计算方法，属于地热能利用技术领域，利用此方法可以高效的计算出U型中深层地埋管换热器的传热特性。该方法将U型中深层埋管换热器数值计算区域划分为下降管区域，水平管区域，上升管区域，每个区域可在二维圆柱坐标下求解，将原本复杂的三维非稳态传热问题简化为计算三个不同区域下的二维非稳态问题，减少了大量的网格节点，提高了计算效率。因此可以快速对U型中深层地埋管换热器进行计算，计算效率大大提高。本发明具有极强的实际使用价值，节约社会资源，可广泛推广使用。

技术领域

本发明涉及地热能的开发利用技术领域，具体涉及一种U型中深层地埋管换热器换热性能的简化计算方法。

背景技术

作为一种可再生能源技术，地源热泵技术已广泛应用，有效利用地热能可以很好地降低温室气体和其他污染物的排放。但是目前利用浅层地热能存在一些弊端，如对于冷热负荷不均时易导致土壤冷热量堆积，影响取热效率；需要大量的埋管区域，对于土地资源紧缺时，缺少埋管区域，由于埋管深度较浅(80-150m)，使得循环水温较低，影响了热泵的取热效率。为了更好的利用地热能，中深层地埋管换热器弥补了浅层地埋管换热器的一些缺点。中深层地埋管换热器埋管深度可达1500～2500m及以上，岩土温度明显高于浅层岩土温度，且所涉及岩土热容量大，循环液流体温度较高，现实生活中一套中深层地埋管系统可以给较大区域供暖，大大节省了土地资源。

U型中深层地埋管换热器是通过下降管、水平管、上升管、热泵以及流量计和温度计等组成的换热系统。研究U型地埋管换热器的常规方法是数值方法，即将空间计算域与时间计算域利用网格进行划分，此方法将复杂的偏微分问题转换成线性方程组的求解问题。在国内外研究中，有学者利用数值方法，采用商用软件来对U型中深层地埋管换热器进行计算，运用商业计算时需要将U型中深层埋管换热器整体看作一个三维的非稳态传热问题。但是对于整个U型中深层埋管换热器，埋管管壁处于毫米的量级，而钻孔深度则是千米量级，二者相差6个数量级，要想获得足够的精度来模拟物理场，需要在空间尺度上离散大量的网格；在时间维度上，从几秒钟到几十年的时间跨度，相差9个数量级。这使得使用商业软件需要处理的网格数量非常庞大，导致计算时间较长，一般时间在十几个小时到几天不等，根据电脑硬件不同而不同。计算时间过长无法快速计算U型中深层地埋管换热器系统的传热特性以及对系统的传热性能进行模拟计算与优化。

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U型中深层地埋管换热器换热性能的简化计算方法。利用此方法可以快速进行U型中深层地埋管换热器的模拟计算以及进行系统传热性能优化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

U型中深层地埋管换热器换热性能的简化计算方法，传统的方法将整体看作三维非稳态流固热耦合问题，由于实际工程中利用商业软件会导致数量庞大的网格，导致计算速度变慢，因此本专利将U型中深层埋管换热器简化为下降管区域，水平管区域，上升管区域三个区域，每个岩土域可以看作是柱坐标系下二维非稳态传热问题。

1)本专利将U型中深层埋管换热器简化为下降管区域，水平管区域，上升管区域三个区域，在每个区域可以在二维柱坐标下非稳态导热问题；埋管流体区域与整个岩土区域相比几何尺寸非常细小，因此将埋管流体看作为一维流动换热问题；管壁、回填材料、保温层采用管壁热阻、回填材料热阻与保温材料热阻来表征对整个系统换热性能的影响。计算时初始条件的设定考虑到垂直方向的地温梯度；各管段流体的初始温度等于该深度处的岩土温度。

2)在上升管段与下降管段的圆柱区域的远边界处采用定温边界条件；水平管段圆柱区域边界处温度等于埋管深度处的地温；地面处为第三类边界条件，设大气温度与空气与地表对流换热系数恒定。

3)简化算法三个区域中流体与岩土为耦合换热，计算时设定下降管区域出口处流体温度等于水平管区域进口温度；水平管区域出口处流体温度等于上升管进出口温度；在地面处有热泵取热，设定热泵取热量为Q。

公式表示为：