[发明专利]一种快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法

权利要求书

1.一种快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：该方法将整个传热过程以孔壁为边界，分解为孔外土壤温度场快速计算部分、孔内套管结构换热器换热解析解部分，其中，孔外土壤温度场快速计算部分得到任意时刻下土壤温度场实际变化情况，包括取热孔孔壁温度分布，孔内套管结构换热器换热解析解部分求得地埋管内管水温与外管水温分布，得到中深层地热地埋管出水温度及相应取热量。

2.根据权利要求1所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述孔外土壤温度场快速计算部分，包括以下步骤：

步骤一、根据供热季逐时取热功率给出地埋管沿深度方向的逐时热流密度分布；

步骤二、将逐时热流密度分布通过傅里叶级数分解为常数项热流与多级正弦函数热流；

步骤三、对于常数项热流作用下的土壤温度场变化，采用拓展后的有限长线热源模型求解；

步骤四、对于多级正弦函数热流，选取振幅较大的前十项，基于土壤热量守恒方程直接计算各项正弦函数热流作用下土壤温度场变化的稳态解，结果形式同样为正弦函数；

步骤五、利用土壤温度场的线性叠加原理，将上述常数项热流作用下的土壤温度场变化与多级正弦函数热流作用下的土壤温度场变化进行矢量叠加，即可求得任一时刻土壤温度场实际分布情况。

3.根据权利要求2所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述步骤一中，热流密度的计算公式如下所示；

其中，q(z,τ)为中深层地热地埋管深度z处τ时刻取热热流密度，单位W/m；Q(τ)为中深层地热地埋管τ时刻取热功率，单位W；H为中深层地热地埋管深度，单位m；z为深度方向坐标，单位m。

4.根据权利要求2所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述步骤二中，地埋管取热热流的周期性变化热流傅里叶分解公式如下所示：

其中，q(z,τ)为中深层地热地埋管深度z处τ时刻取热热流密度，单位W/m；q₀(z)为中深层地热地埋管深度z处全年平均取热热流密度，单位W/m；q_k(z)为中深层地热地埋管深度z处取热热流经傅里叶分解后第k阶正弦波振幅，单位kW；T_k为取热热流经傅里叶分解后第k阶正弦波周期，单位s；为取热热流经傅里叶分解后第k阶正弦波初始相位，单位rad；τ为时间项，单位s。

5.根据权利要求2所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述步骤三中，将有限长线热源模型进行拓展，得到常数项热流作用下孔外土壤温度场的变化，即土壤过余温度的计算公式如下所示：

其中，θ为土壤过余温度，单位℃；q为中深层地热地埋管取热热流密度，单位W/m；a为土壤导温系数，单位m²/s；H为中深层地热地埋管深度，单位m；h为中深层地热地埋管深度方向微元，单位m；r为半径方向坐标，单位m；z为深度方向坐标，单位m；erfc为互补误差函数；λ为土壤导热系数，单位W/(m·K)。

6.根据权利要求2所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述步骤四中，对于多级正弦函数热流影响下的土壤温度场变化，均以年为周期变化，在求得典型年的变化情况后，即可根据周期性函数定义，得到长期运行任一时间正弦函数热流影响下的土壤温度场变化，如公式4所示：

其中，θ_i为第i个正弦函数作用下的土壤过余温度，单位℃；τ₀为第一周期某时刻，单位s；T₁为周期时间，单位s；k为周期数。

7.根据权利要求2所述的快速计算中深层地热地埋管长期运行换热性能的方法，其特征在于：所述步骤五中，在得到土壤温度分布后，即可得到孔壁温度分布，将孔壁温度分布带入到孔内套管换热器解析解中，假定一个进水温度，以每年取热量不变为目标，通过循环迭代的方式即可求得任一时刻对应沿程水温分布。