[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

说明书

本发明公开了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，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，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过程解析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。本发明以取热孔孔壁为边界，将整个换热模型拆分为孔外土壤温度场快速计算部分和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，从而实现快速计算中深层地热地埋管长期运行的换热性能。

技术领域

本发明涉及一种快速计算换热性能的方法，尤其涉及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，属于地热能利用相关技术领域。

背景技术

我国地热资源分布广泛，储备丰富，同时地热能又具有绿色低碳、持续稳定的特点。合理开发地热能，实现可再生能源的高效利用，对我国节能减排、改善大气环境、解决能源安全问题具有重大意义。特别是对于深度在1-3千米，岩层温度50-100℃的中深层地热能，其热量主要来自于地心放射性元素的衰变以及地球形成时势能转化的热能，相比于浅层地温能具有深度更大、温度更高、蕴藏热量更大、更加持续稳定的特点，在提升供热系统运行性能的同时，还可以减少系统横向占地面积，增强了技术的适用性和推广价值。而在目前使用地埋管换热器进行地热利用的过程中，针对中深层地热地埋管长时间尺度换热性能尚未出现具有工程应用价值的快速提取方法。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了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，旨在提供一种结构清晰、功能完善、输入灵活的针对中深层地热地埋管长期运行换热性能的快速计算方法，通过循环迭代的方式即可求得任一时刻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。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：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，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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：