[发明专利]地源热泵系统热平衡模拟预测方法

权利要求书

1.地源热泵系统热平衡模拟预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据地下水渗流理论和热量运移理论，建立研究区域地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型；

S2：对所述地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型求解，得到时间差分格式的三维耦合数学模型；

其中，对所述地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型求解的方法采用伽辽金法，具体包括：对地下水渗流方程进行有限元离散获得渗流问题的代数方程的矩阵；对地下水热量运移方程有限元离散获得热量运移问题的代数方程的矩阵；对所述渗流问题的代数方程的矩阵和所述热量运移问题的代数方程的矩阵采用时间差分格式对时间进行离散，得到时间差分格式的三维耦合数学模型；

所述渗流问题的代数方程的矩阵为：

其中：

为总体渗透矩阵；

为未知节点水头列阵；

为总体储水矩阵；

为总体自由面流量补给矩阵；

为已知的右端项（流量边界及源汇项）；

所述热量运移问题的代数方程的矩阵为：

其中：

为总体弥散矩阵；

为未知节点温度列阵；

为总体对流矩阵；

为总体热容量矩阵；

为已知的右端项（热量边界及热源汇项）；

所述时间差分格式的三维耦合数学模型为：

其中：为计算时刻；为时间步长；

S3：通过所述时间差分格式的三维耦合数学模型对热平衡发展趋势进行模拟预测。

2.根据权利要求1所述的地源热泵系统热平衡模拟预测方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11：根据地源热泵系统所在地区的地质条件、水文地质条件、地下水动态及地温场特征建立地下水渗流数学模型和地下水热量运移数学模型；

S12：通过地下水流运动方程将所述地下水渗流数学模型和所述地下水热量运移数学模型耦合得到地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型。

3.根据权利要求2所述的地源热泵系统热平衡模拟预测方法，其特征在于，步骤S11中所述的地质条件、水文地质条件、地下水动态及地温场特征通过收集现有资料、进行野外调查和实验研究结果获得。

4.根据权利要求2所述的地源热泵系统热平衡模拟预测方法，其特征在于，步骤S11中，

所述地下水渗流数学模型为：

其中：

、、为各向异性主方向渗透系数，m/d；

为点在时刻的水头值，m；

为含水层储水率，1/m；

为源汇项， 1/d；

为时间， d；

为计算域；

为点处初始水头值，m；

为边界上各点的已知水头值，m；

为饱和差(自由面上升)或给水度(自由面下降)；

为一类边界；

为自由面边界；

为自由面外法线与铅垂线间的夹角；

所述地下水热量运移数学模型为：

其中：

、、分别为各方向水的热动力弥散系数，由地下水与含水介质骨架热传导系数、地下水横向与纵向热弥散度、地下水渗流速度计算得出，W/(m·K) ；

为水的热容量，等于比热容与密度的乘积，J/(m³·K)；

为含水介质的热容量，J/(m³·K)；

、、分别为地下水渗流速度分量，m/d；

为点处初始温度值，K；

为第一类边界的温度函数，K；

为热源汇项，，为源汇项的温度，℃。