[发明专利]基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法

权利要求书

1.一种基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于包括：

设计热交换管的布置方式，沿着隧道轴向方向布置；

设计热交换管的布置间距，对于三车道以上大断面隧道取0.6m～0.7m，对小于三车道的小断面隧道取0.5m～0.6m；

设计热交换管的长度，将当前设计的管长代入热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式求得其对应的热泵能耗比，当管长对应的能耗比大于4时，满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述热交换管的布置方式，是在隧道每11m布置一组热交换管，每组热交换管沿着隧道轴向间隔为1m。

3.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式：

式中：T_out为热交换管的出口温度，L为热交换管长度，T_ini为初始地温，EER为热泵能耗比，两个未知参数A和B通过试算两组不同长度的换热器模型进行反演。

4.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，还包括以下步骤

步骤(1)，勘察地质热物性，通过现场热响应试验测定围岩导热系数、围岩比热容和围岩的密度；

步骤(2)，勘察地温；

步骤(3)，采集气象数据；

步骤(4)，设计能源隧道衬砌地温能热交换系统的冷热负荷；

步骤(5)，隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩的三维建模。

5.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(2)地温勘察通过在隧道周围围岩处放置温度传感器进行采集或通过下式进行计算：

式中：T_M为地表全年平均温度，a_s为围岩热扩散系数，A_s为地表全年温度振幅，ω为温度年周期性波动频率，ω＝0.000717 1/h。

6.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中气温数据通过现场气温监测采集，或通过当地气象部门进行查阅。

7.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据用户端暖通设计图纸获取建筑冷热负荷，设计能源隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管所承担的冷热负荷。

8.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中根据隧道设计图纸尺寸，建立隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩传热数值分析模型，围岩传热采用固体传热模块进行计算，截面尺寸应满足隧道衬砌地温能热交换系统整个运行期间边界温度无变化，边界设置为热绝缘边界；隧道建模包括洞内空气、二衬和初衬，洞内空气采用流体传热模块与湍流模块中的RANS模型进行耦合计算，二衬和初衬采用固体传热模块进行计算；热交换管出口温度采用非等温管道流模块进行计算，热交换管入口和出口初始温度为初始地温，入口温度计算如下式：

式中：T_in为热交换管入口温度，T_out为热交换管的出口温度，Q_t为隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管承担的冷热负荷(由步骤4获取)，ρ_L为热交换管内液体密度，C_p,L为热交换管内液体比热容，u_L为热交换管内液体流速，A为热交换管截面面积。