[发明专利]一种基于地质分层的地埋管换热器热阻确定方法

说明书

本发明公开了一种基于地质分层的地埋管换热器热阻确定方法。该方法利用有限元模拟软件基于地质分层建立地埋管换热器传热模型，采用自由四面体非结构化网格划分地埋管换热器传热模型计算区域，利用有限体积法将地埋管换热器传热模型的非等温管道流传热方程和固体传热方程离散为差分方程，采用二阶迎风格式求解差分方程，获得地埋管换热器传热模型的温度场分布情况，计算各埋藏深度处U型埋管的内部流体平均温度、管壁温度，计算地埋管换热器在各土壤层的换热量及热阻值，通过在埋藏深度方向上对各埋藏深度处地埋管换热器的热阻值进行积分，确定基于地质分层的地埋管换热器热阻值。本发明高效便捷，提高了热阻计算精度，更符合实际工程需求。

技术领域

本发明涉及竖直埋管地源热泵技术领域，具体涉及一种基于地质分层的地埋管换热器热阻确定方法。

背景技术

地埋管换热器作为地源热泵系统的关键部件，其设计对提高地源热泵系统的运行效率至关重要。地埋管换热器热阻是换热器设计的重要因素，工程上需要结合实际地质分层状况确定其精确值。

有限元法(Finite Element Method，FEM)作为一种常用的高效能求解偏微分方程边值问题近似解的数值方法。该方法求解时将整个连续区域进行离散化，分解成有限个单元作为有限元，通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将各有限元小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。

有限元具有计算精度高且适用于各种复杂形状的特点，因而成为行之有效的工程分析手段。因此，基于有限元方法建立物理模型，利用数值方法来获得分层条件下地埋管换热器热阻，简单精确，更符合工程实际。

发明内容

本发明旨在为了更加便捷、有效的获得分层条件下地埋管换热器的热阻，提出了一种基于地质分层的地埋管换热器热阻确定方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种基于地质分层的地埋管换热器热阻确定方法，具体包括以下步骤：

步骤1，利用有限元模拟软件，构建地埋管换热器，包括钻孔、回填材料和U型埋管，设置U型埋管一端为进液管，另一端为出液管，划分地埋管换热器所在土壤层，建立基于地质分层的地埋管换热器传热模型，设置地埋管换热器传热模型的结构参数、计算区域、计算时间和边界条件，设置各土壤层及U型埋管的初始条件，并将U型埋管进液管管口设置为地埋管换热器传热模型的温度及压力入口，将U型埋管出液管管口设置为地埋管换热器传热模型的温度及压力出口；

步骤2，基于近管壁加密原则，采用自由四面体非结构化网格对地埋管换热器传热模型计算区域进行网格划分，通过对划分后的网格进行独立性检验，确定网格数量；

步骤3，利用有限体积法将地埋管换热器传热模型的非等温管道流传热方程和固体传热方程离散为差分方程，采用二阶迎风格式求解离散后的差分方程，得到地埋管换热器传热模型的温度场分布情况；

步骤4，根据地埋管换热器传热模型的温度场分布情况，确定地埋管换热器传热模型中U型埋管内部流体温度随U型埋管埋藏深度的变化规律，计算各埋藏深度处U型埋管内部流体的平均温度值以及地埋管换热器钻孔壁的壁面温度；

U型埋管内部流体的平均温度值为：

T_f,i＝(T_in,i+T_out,i)/2 (1)

式中，T_f,i表示埋藏深度i处U型埋管内部流体的平均温度值，单位为K；T_in,i表示埋藏深度i处U型埋管进液管内部流体的温度值，单位为K；T_out,i表示埋藏深度i处U型埋管出液管内部流体的温度值，单位为K；