[发明专利]一种多孔地埋管换热器传热降维分析方法及系统

说明书

本发明提供了一种多孔地埋管换热器传热降维分析方法及系统，利用叠加原理把多孔地埋管换热器的三维传热问题分解成多个单孔的二维问题的叠加，实现降维的数值计算，从而使计算效率得到质的提升。确定多孔地埋管换热器的参数；对地层中的初始温度分布进行计算并赋值，对各钻孔内流体的初始温度分布进行赋值，确定钻孔壁的初始温度分布；根据钻孔内传热的数学模型，计算下一时刻各钻孔换热器中流体的温度分布；根据各钻孔换热器中流体的温度分布，利用单孔地埋管换热器传热模型计算下一时刻各单孔地埋管换热器在岩土中的温度响应；利用叠加原理，基于各个单孔地埋管换热器在岩土中的温度响应，计算多孔地埋管换热器共同作用下岩土中的温度响应，并得到流体进出口温度随时间的变化。

技术领域

本发明属于地热能利用计算技术领域，具体涉及一种多孔地埋管换热器传热降维分析方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

地源热泵供热空调系统以大地为冷、热源，使作为中间介质的热载体在埋设在岩土中的封闭环路中循环流动，与大地进行热量交换，并进而通过热泵实现对建筑物的供热和供冷。地源热泵技术对建筑节能、CO₂减排和防治大气污染都起到了重要作用，一般来说，系统由地埋管换热器、热泵主机以及建筑物内的末端系统组成。地埋管换热器是地埋管地源热泵空调系统区别于其他供热空调系统的最大特点。这种地埋管换热器中的传热是管内流体与周围岩土之间的换热，可以看作是一种蓄热式换热器。地埋管换热器的布置方式必须因地制宜，可以是多种多样的，因此其几何条件会很复杂；地埋管换热器中的传热过程又是一个复杂的、非稳态的传热过程，所涉及的时间尺度很长，至少为数月至数年。因此，地埋管换热器传热的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点，同时也是该项技术研究的核心和应用的基础。

据发明人了解，地埋管换热器的传热分析方法大体上可以分为两大类，即解析解方法和数值解方法，它们各有长处和局限性，在实际应用中也可采用混合的方法。解析解方法的基本出发点是研究无限大或半无限大介质中单个钻孔埋管的传热规律，此时地埋管换热器简化为线热源或圆柱面热源，并得到其在恒定热流作用下温度响应的解析解。有研究学者提出了一种叠加原理的新思路，基于描述无限大介质中单个钻孔在恒定热流加热条件下的温度响应，再利用叠加原理得到多个钻孔组成的地埋管换热器在变化负荷作用下的实际温度响应。这种方法物理概念清晰、计算简捷，可以考虑地埋管换热器的复杂的几何配置和负荷随时间的变化，已经广泛应用于实际的工程设计计算和能耗分析。这种解析解方法的一个不足是需要假设地下岩土为均匀介质并有均匀的初始温度。中深层地埋管换热器深入地下数千米，地温梯度成为影响传热过程的主要因素，因此继续假定地下岩土整体为均匀介质并忽略地温梯度明显是不适合的。此外，在地埋管换热器传热的解析解分析方法中，需要把地埋管换热器的传热分成两个区域分别处理，在传统的解析解方法中需要在两个区域的界面，也就是钻孔壁上，通过简化假定把两者联系起来。通常的做法是对于钻孔内的问题假设钻孔壁面温度均匀，对于钻孔外的问题假设钻孔壁上热流均匀。这样的简化假定明显是不合理的，但是由于地埋管换热器传热计算复杂而耗时，为了能够采用简明的解析解公式，不得不采用这种不准确的界面连接条件。也有研究人员研究了初始温度不均匀条件下单孔地埋管换热器的传热。为了摈弃连接界面上的简化假定同时保留在钻孔外区域采用解析解公式的求解路线，他们对钻孔内的“热源”做了空间(深度方向)和时间上的离散化处理。他们的工作仅仅涉及单孔的地埋管换热器换热器；而且对于深孔和长时间的问题，这一方法的计算工作量巨大，失去了传统解析解方法计算简捷的优势。此外，由于采用解析解，不可避免还要采用整体均匀介质的假定，并不具有实际应用意义。