一種集群豎埋管地熱換熱器傳熱簡化分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集群豎埋管地熱換熱器傳熱簡化分析方法，它是通過分析埋管區(qū)域地下溫度場變化規(guī)律，劃分特征區(qū)域，針對各特征區(qū)域選擇代表性埋管重新組合形成代表性集群豎埋管地熱換熱器，并針對代表性集群豎埋管地熱換熱器進行傳熱分析計算。計算結束后，利用埋管換熱量和巖土溫度場變化的周期性和對稱性將計算結果還原至實際集群豎埋管地熱換熱器。利用代表性集群豎埋管地熱換熱器得到的計算結果還可以推廣至地質條件、埋管深度、鉆孔直徑、回填材料、單個埋管承擔負荷等條件相同，且埋管行數(shù)和列數(shù)不少于集群豎埋管地熱換熱器行數(shù)和列數(shù)的任意集群豎埋管地熱換熱器。利用該方法可以在保證傳熱分析結果準確的基礎上，顯著減少計算工作量。
【專利說明】一種集群豎埋管地熱換熱器傳熱簡化分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及地源熱泵的地熱換熱器傳熱分析方法，具體涉及簡化分析集群豎埋管地熱換熱器傳熱的方法。
【背景技術】
[0002]作為一種可再生能源技術，地源熱泵技術在我國得到廣泛應用。地熱換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分且初投資高，其設計的優(yōu)劣直接決定地源熱泵系統(tǒng)運行的經濟性和可靠性。對長期運行的埋管群地熱換熱器，通?；诮⒌膯慰茁窆軅鳠崮Ｐ?，采用線性疊加原理進行傳熱分析。目前主要采用線熱源模型、圓柱面(或體)模型、數(shù)值方法進行分析計算。然而大型地源熱泵系統(tǒng)中的大集群豎埋管地熱換熱器由于埋管數(shù)量眾多，導致計算量極大，不僅需要計算機硬件配置高，計算時間也大大加長，解析解的計算往往需要數(shù)小時，而數(shù)值解更需要數(shù)天或者數(shù)周的時間。另外，大量的計算過程或者上千萬個網格節(jié)點也會超出計算機內存的允許計算量，導致計算機癱瘓，無法計算。目前國內外尚缺少有效的大集群埋管地熱換熱器傳熱簡化分析和計算方法

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種簡化分析計算方法，能夠在保證足夠準確性的前提下，使大集群埋管地熱換熱器傳熱分析計算工作量顯著降低。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明有如下技術方案:
[0005]一種集群豎埋管地熱換熱器傳熱簡化分析方法，包括以下步驟:
[0006]I)通過分析埋管區(qū)域地下溫度場變化規(guī)律，按各埋管周圍溫度場變化的相似性劃分特征區(qū)域；
[0007]2)針對各特征區(qū)域，利用溫度變化的周期性和對稱性，將該區(qū)域內埋管周圍溫度場變化一致的埋管群用一個或數(shù)個埋管代替，作為代表性埋管；
[0008]3)將各特征區(qū)域代表性埋管重新組合形成新的集群豎埋管地熱換熱器-代表性集群豎埋管地熱換熱器；
[0009]4)針對代表性集群豎埋管地熱換熱器進行傳熱分析計算，計算結束后，利用埋管換熱量和巖土溫度場變化的周期性和對稱性將計算結果還原至實際集群豎埋管地熱換熱器?；蛘?，利用代表性集群豎埋管地熱換熱器得到的計算結果應用至地質條件、鉆孔直徑、回填材料、埋管深度、埋管間距、單個埋管承擔負荷等條件相同，且埋管行數(shù)不少于集群豎埋管地熱換熱器行數(shù)，以及列數(shù)不少于集群豎埋管地熱換熱器列數(shù)的任意集群豎埋管地熱換熱器。
[0010]由于采取了以上技術方案，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0011]能夠在保證足夠準確性的前提下，使集群埋管地熱換熱器，特別是大集群埋管地熱換熱器傳熱分析計算工作量顯著降低?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為集群埋管地熱換熱器埋管布置及周邊土壤溫度場分布示意圖；
[0013]圖2為標出擬忽略計算區(qū)域的集群埋管地熱換熱器埋管布置及周邊土壤溫度場分布示意圖；
[0014]圖3為簡化后的代表性集群豎埋管地熱換熱器埋管布置及周邊土壤溫度場分布示意圖。
[0015]圖4為集群埋管地熱換熱器埋管布置及周邊土壤溫度場分布示意圖。
[0016]圖中:1、埋管2、特征分區(qū)劃分線3、一個特征分區(qū)
[0017]4、擬忽略計算區(qū)域
【具體實施方式】
[0018]以下實施用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0019]參見圖1?4，
[0020]圖1所示為一個呈8X8矩陣排列的64個豎埋管(深100米)的地熱換熱器經過16年運行后，地下50米水平方向溫度場分布。圖1顯示埋管區(qū)域的溫度場變化呈明顯的周期性變化。根據(jù)各埋管周圍溫度場相似性，可將地熱換熱器劃分為9個特征分區(qū)(圖1中用虛線予以分割)。
[0021]除了四個角區(qū)域，其余5個區(qū)域埋管周圍溫度場分布均呈一定周期性變化，根據(jù)溫度場對稱面可視為絕熱面的特性，各特征區(qū)域可選擇部分埋管代表本特征區(qū)域，其余埋管可以忽略而不參與計算。忽略計算的埋管區(qū)域見圖2中陰影區(qū)域4，從而可將圖1所示的集群豎埋管地熱換熱器簡化為圖3所示的6X6矩陣排列的36個豎埋管構成的地熱換熱器，可使計算涉及埋管數(shù)量顯著降低，從而顯著減少傳熱分析計算工作量。計算結束后，根據(jù)圖3所示埋管群計算結果，利用埋管周圍溫度場的周期性變化特性，將圖3中除四個角區(qū)域的其他特征分區(qū)埋管周圍溫度場計算結果進行周期性擴展，可還原至8X8矩陣排列的64個豎埋管，見圖1。
[0022]將對于運行時間不超過16年，其它運行條件相同的情況，只要豎埋管地熱換熱器行和列均不少于6個埋管，均可利用圖3所示地熱換熱器進行簡化計算，并將計算的結果利用埋管周圍溫度場的周期性變化推廣還原至集群埋管。圖4所示為根據(jù)圖3所示埋管群計算結果，利用埋管周圍溫度場的周期性變化特性，將圖3中除四個角區(qū)域的其他特征分區(qū)埋管周圍溫度場計算結果進行周期性擴展，推廣應用至埋管數(shù)量為IOX 12矩陣排列集群豎埋管地熱換熱器，得到的運行16年時各埋管周邊土壤溫度場分布示意圖。
[0023]顯然，本發(fā)明的上述實例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種集群豎埋管地熱換熱器傳熱簡化分析方法，主要包括以下步驟: ①分析地熱換熱器埋管區(qū)域地下溫度場變化規(guī)律，按各埋管周圍溫度場變化的相似性劃分特征區(qū)域； ②針對各特征區(qū)域，利用溫度變化的周期性和對稱性，將該區(qū)域內埋管周圍溫度場變化一致的埋管群用一個或數(shù)個埋管代替，作為代表性埋管； ③將各特征區(qū)域代表性埋管重新組合形成新的集群豎埋管地熱換熱器-代表性集群豎埋管地熱換熱器； ④針對代表性集群豎埋管地熱換熱器進行傳熱分析計算； ⑤利用埋管換熱量和巖土溫度場變化的周期性和對稱性將步驟④計算結果還原至實際集群豎埋管地熱換熱器，或應用至地質條件、鉆孔直徑、回填材料、埋管深度、埋管間距、單個埋管承擔負荷等條件相同，且埋管行數(shù)和列數(shù)分別不少于步驟③的代表性集群豎埋管地熱換熱器行數(shù)和以及列數(shù)的任意集群豎埋管地熱換熱器。
【文檔編號】F25B30/06GK103968605SQ201410185297
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月26日 優(yōu)先權日:2014年4月26日
【發(fā)明者】于明志, 崔萍, 陳兆濤, 李洪, 李琳琳, 叢俊滋 申請人:山東建筑大學