[发明专利]地源热泵垂直地埋管传热三维数值模型及其建立方法

摘要

本发明涉及一种地源热泵垂直地埋管传热数值模型及其建立方法，为三维数值传热模型，模型分两个结构层次水平结构与垂直结构。本发明可以对恒热流工况和恒温度工况的现场热响应测试进行数值模拟，计算岩土体热物性参数与垂直地埋管的换热能力，方便设计应用；适当简化的传热模型在保持较高计算精度同时占用的计算硬件资源相对较少，可加快运算速度，适用于群孔长期传热计算；本发明在模拟长期负荷加载时可将换热流体以变流速参数输入，得到不同流速相对应的换热能力，适用于工程设计中调频水泵参数的优化取值研究。

主权项

地源热泵垂直地埋管传热三维数值模型，其特征在于：对模型中的计算单元应用能量守恒原理建立离散方程，每个计算单元具有固定热容，计算单元之间用相应的热阻连接，模型分两个结构层次：水平结构与垂直结构；水平结构部分模拟计算以地埋管为中心的单元径向与圆周方向的传热，垂直结构部分模拟计算地埋管内部流体的轴向温度变化，水平计算单元为分解的圈层结构，2根或4根换热管保持固定间距，每根管周边的计算单元呈辐射状、层次扩展；每个计算单元单位温度变化需要的热量：QV＝V0*ρc*KQV——计算单元的体积热容量；V0——计算单元的体积；ρc——计算单元的体积热容；K——边界系数，在近似模拟群孔状态时，以地埋管换热孔间距为参照，水平模型的外部圈层相对与原有的当量体积减少的比率，取值范围：0＜K≤1；每个计算单元在不同方向的热阻：径向：圆周方向与不规则单元的近似处理λS＝λ0+a*TRi——与计算网格单元相邻的单元的热阻；R0——计算单元的热阻；M——辐射状分区数目，当圈层单元在距离换热管1‑1.5m以外，M＝1；λS——岩土体地层或管道在一定温度下的热导率；d0——计算单元弧段所在的圆的外径；di——计算单元弧段所在的圆的内径；L——计算单元长度或弧段长度；S——计算单元截面积；λ0——岩土体地层或管道在基准温度下的热导率；a——岩土体地层或管道在不同温度下的热导率变化系数；T——某时刻的网格单元温度；R0的计算方法与Ri相同；管道对流换热热阻Rf由管道内径、流速、流体温度与流体参数控制，使用经验公式拟合求出，计算需要时叠加到Ri之中；在一个时间步长内，逐个计算所有网格单元的温度响应，而后转入下一个时间步长重新赋值计算：T＇——下一步长时需计算的网格单元温度；Ti——与计算网格单元相邻的单元在某时刻的温度；JS——每一个计算步长的时间；n——与计算网格单元相邻的单元的数量；垂直结构部分，将水平网格结构分成多组叠加构造，用以代表不同深度岩土体地层，换热管内流体在实际中是连续运动的，利用微分原理，将流体切割成一系列长柱状体，将连续流动视为断续运动，在每一个计算步长内，通过每一步的断续推移，模拟管内温度传递状态，管内流体每一步的推移距离与流速、管径相关，与分层模型垂直长度不一致，需要对每一步长的流体管柱重新切割，划分为中间段、进入段、引出段。在每一个计算步长中，将引出段温度计算得出结果后，增加一定温差(恒热流模式)或重新设定温度(恒温度模式)，赋值给予进入段，进入下一步长的计算；首先求取转换系数当(Xi‑Yj)*(Yj+1‑Xi+1)＜0时当(Xi‑Yj)*(Yj+1‑Xi+1)≥0时将得到的数值判别是否大于1，大于1的数取值为1，此时以下公式成立：以Ti表示上一时刻各段温度，以Tj表示下一时刻各段温度，则上式中设置地层分层为N层，使用下标变量表示一定流量下水流柱体的长度，上部X1—X2为进入段，X2—X3为第一层，X3—X4为第二层，依次排序，至换热管底部后层号递减，X2N+1—X2N+2为第一层。下部Y1—Y2为第一层，Y2—Y3为第二层，依次排序，至换热管底部后层号递减，Y2N—Y2N+1为第一层，Y2N+1—Y2N+2为引出段；依次求出Tj后进入水平单元分别计算，计算得到Ti的数值结果进入下一循环。