[发明专利]地下水渗流环境下桩埋管换热器的传热计算方法及其验证系统

摘要

本发明公开了一种地下水渗流环境下桩埋管换热器的传热计算方法及其验证系统，根据地下水渗流环境下的格林函数，分析地下水以三维速度在无限大均匀介质流动时点热源在介质中产生的温度响应；利用虚拟热源法得到地下水三维渗流条件下单个桩埋管换热器的传热计算方法。采用地下水流速流向测定仪获得当地的地下水流速，为传热计算方法的使用提供重要参数。同时，用该传热计算方法的验证系统对方法的合理性进行验证，模拟在热泵机组工作状况下，桩埋管在地下水渗流环境中的传热过程，通过测试获得实际数据。将所测数据与传热方法的计算结果进行对比，从而验证了方法，为该方法的推广应用提供证明。

主权项

1.一种地下水渗流环境下桩埋管换热器的传热计算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)对地下水的流速进行测试；(2)在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，确认处于介质中的以一定强度散热的点热源在介质中任意一点处引起的温度响应；(3)构建地下水以三维速度流经单个桩埋管时的传热模型，获得当具有一定螺旋间距、螺旋半径和长度的换热管埋设于桩基中形成桩基螺旋埋管地热换热器后的半无限大介质中除螺旋管外任意一点温度响应；进一步的，所述步骤(3)中，利用虚拟热源法，即认为在地下介质中存在恒定发热的螺旋管，在以地面为对称面的虚拟的另一半无限大介质中，存在着恒定吸热的螺旋管，即同时存在螺旋线热源和螺旋线热汇，得到螺旋埋管在三维地下水渗流条件下对地下介质产生的温度响应表达式，即地下介质中除换热管外任意一点在任意时刻的温度响应，具体为：单个桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下，自时刻τ’开始与地下介质进行换热，到τ时刻时在地下空间内除螺旋管外任意点(x,y,z)所引起的温度响应的计算公式为：其中，z′＝z′；地下水渗流的速度u为矢量，包括大小和方向，U₁、U₂和U₃分别为地下水沿x,y和z轴的分速度，ρc是地下介质总的体积比热容，循环液的质量流量M；螺旋管埋设于桩基中，螺旋半径和间距分别为r₀和b，代表其螺旋角度，每米螺旋管的换热量为q_l，换热管离地面的起始和终点位置分别为h₁和h₂，因此所对应的螺旋角度分别为：和螺旋管沿桩基表面以一定的间距和角度螺旋盘绕，在实际换热过程中，循环液沿螺旋管进入然后沿中心的直管段流出返回热泵机组，在整个换热过程中，地面的温度保持恒定，且地下介质和地下水的热物性参数保持不变，(x’,y,’z’)代表螺旋管热源上任意一点的坐标，(x,y,z)则表示除热源外地下介质中任意一点的坐标；τ是指换热过程中的任意时段。