專利名稱：一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地源熱泵領(lǐng)域，特別是一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)
算方法。
背景技術(shù)：
在地源熱泵中，豎直地理管 式地?zé)狁詈蠠岜孟到y(tǒng)因地下巖土溫度場(chǎng)穩(wěn)定、能源效率高而愈來(lái)愈被廣泛使用。它主要用在各類建筑的采暖空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)中。豎直地理管換熱器建造成本高，換熱器設(shè)計(jì)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致初投資浪費(fèi)、運(yùn)行成本高；換熱器設(shè)計(jì)偏小則不能保證熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不能滿足系統(tǒng)吸排熱量的需求，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。在設(shè)計(jì)地?zé)狁詈蠠岜孟到y(tǒng)時(shí)，豎直地理管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算十分關(guān)鍵。熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期一般為10-30年。為了設(shè)計(jì)恰當(dāng)大小的豎直地理管換熱器，需要根據(jù)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)逐時(shí)吸排熱量計(jì)算出豎直地理管換熱器管內(nèi)逐時(shí)流體溫度、地下巖土逐時(shí)瞬態(tài)溫度，以評(píng)估換熱器的大小是否能滿足熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行期內(nèi)的吸排熱量需求。豎直地理管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)多，必須通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)才能設(shè)計(jì)出合適大小的地理管換熱器。目前大多采用g函數(shù)方法計(jì)算地理管換熱器在運(yùn)行期內(nèi)的管內(nèi)逐時(shí)流體溫度、地下巖土逐時(shí)瞬態(tài)溫度。所謂g函數(shù)，就是單個(gè)垂直鉆井在單位熱流的作用下地埋管換熱器管壁溫度和地下巖土無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)。有了 g函數(shù)值和熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行期內(nèi)的逐時(shí)吸排熱量，通過(guò)鉆井疊加作用和時(shí)域卷積或頻域快速傅里葉變換(FFT)就可求得鉆井群在運(yùn)行期內(nèi)換熱器管壁溫度和地下巖土瞬態(tài)溫度的逐時(shí)值。g函數(shù)可以是用數(shù)值方法計(jì)算出的數(shù)據(jù)表格；也可以是將單個(gè)鉆井看作有限線熱源、無(wú)限線熱源和圓柱熱源在單位熱流作用下?lián)Q熱器管壁溫度和地下巖土瞬態(tài)溫度響應(yīng)的解析解。不管是用數(shù)值方法還是用解析方法，計(jì)算g函數(shù)逐時(shí)值需要消耗大量時(shí)間。一般是先將不同鉆井參數(shù)的g函數(shù)計(jì)算出來(lái)，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)通過(guò)查表和插值方法獲得鉆井計(jì)算參數(shù)下的g函數(shù)值。時(shí)域卷積計(jì)算也是非常耗時(shí)的。于是有專家提出基于g函數(shù)的“負(fù)荷聚集法”(Load aggregation method)和傅里葉變換樣條法(FFT-s)等方法以降低計(jì)算時(shí)間。用有限線熱源模型解析式g函數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算地埋管換熱器，例如計(jì)算40個(gè)鉆井30年運(yùn)行期的ー組參數(shù)，用時(shí)域卷積計(jì)算需要I天多的時(shí)間，用FFT計(jì)算也需要2個(gè)多小時(shí)(含計(jì)算g函數(shù)的時(shí)間)。鉆井群有許多組參數(shù)配置需要進(jìn)行計(jì)算，用數(shù)據(jù)表格形式儲(chǔ)存g函數(shù)值需要一個(gè)很大的數(shù)據(jù)庫(kù)，而預(yù)先計(jì)算出的數(shù)據(jù)庫(kù)很難包含設(shè)計(jì)計(jì)算所涉及的全部參數(shù)的全部范圍。另ー方面，不管是查表和插值獲取g函數(shù)值，還是“負(fù)荷聚集法”(Load aggregation method)與傅里葉變換樣條法(FFT-s)等方法，都會(huì)帶來(lái)較大計(jì)算誤差。因此，用g函數(shù)及其衍生的計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)豎直地理管換熱器的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種豎直地理管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)算方法，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，極大地減少計(jì)算時(shí)間。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)算方法，該方法包括以下步驟
1)根據(jù)豎直地埋管換熱器鉆井群可使用地面面積，初步選取ー組鉆井參數(shù)配置鉆井間距參數(shù)ガ，偏移距離も及鉆井?dāng)?shù)#，鉆孔半徑，鉆孔深度//，巖土導(dǎo)熱系數(shù)ん，巖土熱擴(kuò)散系數(shù)》，需要設(shè)計(jì)計(jì)算的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行年數(shù)/ ;
2)將地源熱泵系統(tǒng)中需要由地埋管換熱器從地下提取或排入地下的I年中每個(gè)小時(shí)時(shí)刻的熱量除以(// Λ0后，表示為單位豎井長(zhǎng)度逐時(shí)傳熱熱流的矩形脈沖序列 Q Kt2) ) Q ^3))…，Q ^876(1)」；
3)利用單個(gè)鉆井有限線熱源模型在単位階躍熱流作用下導(dǎo)出的地下任意深度Z(或ti)和半徑距離(T)無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)g函數(shù)的解析形式
CU、I/ 2JF0) erfc(r 2-4Fo),、
=-JoL-—-—-—-} ζ⑴
式中，r =^β2 + (τ -ξγ ； =/β2+(” + ξ)2 ；； β=τ!Η ；
e.. WI ; Fo = S ,稱為傅里葉時(shí)間；為時(shí)間-，erfc(z)為余誤差函數(shù)，
/ て
erfc(z) = I - -^Jo exp(-^i2)du ;求式⑴ダ函數(shù)對(duì)傅里葉時(shí)間變量/ 的偏導(dǎo)數(shù)，有
rσ , dg(f、T},Fo)
oFo
exp(-ダ / 4Po)「へ P, \ — 7}、 ，, \ + 7},, , 7]
=-[2 - erfc(^■=) + erjc(^=) - lerfc (^=)](2)
4Fo24 Po2^jFo2λ/Ρο
得到地下任意深度和半徑距離^函數(shù)的另ー解析形式
= J gfF&(β,Tj Fa)dFoο
I AFo、2派 2#b2拆
4)用兩個(gè)大小相同、方向相反、時(shí)間相差Δτ的階躍熱流疊加得到矩形脈沖熱流，定義5函數(shù)為單個(gè)鉆井在単位矩形脈沖熱流作用下地下任意深度和半徑距離無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)，那么 a數(shù)解析形式為
AS
δ β,η,Po) = g{fi,η,Po)-g(fi,η,Po-Mo) = J 2^{β,η,Ρο-τ) τ
O
—『sp(-ダ M(^Fb-T))\-rj )丄糾——:t—ψΤ (4)
i 4(Fb-t) L ハ.ψ - ハ 2#o-t. ハ 2#o —r'J、ノ
式中，為傅里葉時(shí)間步長(zhǎng)，Mh = Foi- Ky1 = ti-τ. α H2 ;Λτ為時(shí)間步長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)計(jì)算中取為I小時(shí)，那么，鉆井壁面中點(diǎn)溫度的<5函數(shù)為
4=J gk(4^ = 0-5^--r>fr
Af 6ιΦ(-42/4^-γ))γο 0 " 0.5 、丄 “ 1.5 =! ^^[2^erf€K2jF^)+erM2j^)VT⑶
鉆井壁面平均溫度的3函數(shù)為
Λ ミ
\ = f H V, Fo - τ) η
4P1 exp(-&2/4(Fo- r))Γ. .I , χ , I . ,/Β, 、” / Ν
= ~1 κ ^---— [2 - 4er,€(~,) + IerM-^=_)- AtlFb- τ)] ζ (Ρλ
I40 -γ) L ^ '2^(Fo-zY J \j(Fo-tY ■ /J、ノ
式中，^4(2 — τ) = "2.-^tfο — T[eHp(--) — 4eiip(--) + 3]/；
' Fo — τAFo-τ
5)步驟I)中所選取鉆井中任一鉆孔孔壁的中點(diǎn)溫度和平均溫度的J函數(shù)分別為
M.A 灰}=音(A, - )+Σ 去(盡ぁ)(7)
i-l
E ifie，F(xiàn)。) = (K，F(xiàn)。) + γβ H F。)(8)
i-l
地下巖土初始溫度為ァ0,在矩形脈沖熱流序列[fo (ら)，Qit2), q(t3),…]的作用下，單鉆井地下任意深度和半徑距離的相對(duì)瞬態(tài)溫度為
5(γ,ζ,^·) == 2 ^(Tj)(5CA 5^_j+1)(9)
當(dāng)〃=4時(shí)，為鉆井壁面溫度，鉆孔壁面相對(duì)瞬態(tài)中點(diǎn)溫度和平均溫度為
= 2Jrt3[T(r^,τ;·) -Tis] = 2 q(ri)-&^e, Fo}-_i+l)(10)
9e(Jj) = ITik5[T(r9,ry)-T0] = 2 q(Ti)SifierFoj^l)(11)
6)由相對(duì)瞬態(tài)溫度得到地下巖土各時(shí)刻的溫度或鉆孔壁面各時(shí)刻的溫度，用流體平均溫度方法計(jì)算單U型和雙U型管的鉆孔內(nèi)熱阻慫，那么地理管換熱器各時(shí)刻的管內(nèi)流體溫
度內(nèi))計(jì)算如下
Tf(S):分內(nèi)爲(wèi) + ,Tj) = qirj)P^ +τγτ"母 C1}.)+Ta(12)
或 if ( .J =破 ζ*')^ +1= q(Jj)^ + )"母( .) +ァ0(13)
由流體溫度和熱泵的性能比，算出熱泵系統(tǒng)的耗能量；7)對(duì)于不同的鉆井參數(shù)組合，重復(fù)上述計(jì)算步驟，計(jì)算出各組參數(shù)的鉆井總長(zhǎng)度、鉆井壁面溫度和管內(nèi)流體溫度；由鉆井總長(zhǎng)度、鉆井壁面溫度和管內(nèi)流體溫度，評(píng)估各組參數(shù)下的地下溫度變化范圍、造價(jià)、熱泵能耗及回報(bào)周期，選擇豎直地埋管換熱器參數(shù)，即為設(shè)計(jì)的豎直地理管換熱器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為本發(fā)明通過(guò)引入?yún)g位矩形脈沖熱流作用下地下巖土無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)ー 函數(shù)的概念，獲得其積分區(qū)間為
的δ函數(shù)，既能將鉆井參數(shù)帶入設(shè)計(jì)計(jì)算，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，又極大地減少了計(jì)算時(shí)間，為豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種高效的計(jì)算方法。


圖I為本發(fā)明一實(shí)施例鉆進(jìn)群及鉆進(jìn)間距離示意圖； 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例單位長(zhǎng)度地埋管換熱器熱流逐時(shí)值的矩形脈沖表示 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例用兩個(gè)階躍熱流疊加得到矩形脈沖熱流示意 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例單鉆井壁面平均溫度ざ函數(shù)曲線 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例熱泵系統(tǒng)每米換熱器的吸排熱量示意 圖6為本發(fā)明一實(shí)施例第I個(gè)鉆井的壁面平均溫度曲線 圖7為本發(fā)明一實(shí)施例地理管換熱器出口的流體溫度曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明ー實(shí)施例方法步驟如下
I.如圖I所示，根據(jù)豎直地埋管換熱器鉆井群可使用地面面積，初步選取ー組鉆井參數(shù)配置鉆井間距參數(shù)ガ，偏移距離ム及鉆井?dāng)?shù)# eih / ， 和/7為橫豎列數(shù))，鉆孔半徑^，鉆孔深度//，巖土導(dǎo)熱系數(shù)I，巖土熱擴(kuò)散系數(shù)α,需要設(shè)計(jì)計(jì)算的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行年數(shù)
η ο2.將地源熱泵系統(tǒng)中需要由地埋管換熱器從地下提取或排入地下的I年各時(shí)刻熱量除以奴 AO后，表示為單位豎井長(zhǎng)度逐時(shí)傳熱熱流的矩形脈沖序列q(ら)，q(ら)，…，q(i8760)]，如圖2所示。將I年的矩形脈沖熱流序列重復(fù)延展為n 8760的矩形脈沖熱流序列。3.利用單個(gè)鉆井有限線熱源模型在単位階躍熱流作用下導(dǎo)出的地下任意深度^(或ヵ)和半徑距離r無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)g函數(shù)的解析形式
CU、 I f\erjc(r / 2、jFo) erfc(r i2-s/Fo)1Jgハ、
= JoL-—---—-U)
式中，r+=マグ + 汸-Iデ；r = ^β2 +(7} + ξγ ； 7} = 21H ;H ;
e..... ;ル=€1 ,稱為傅里葉時(shí)間；為時(shí)間-，erfc(z)為余誤差函數(shù)，
らJt.て
^Κ 'Φ) = ^--F=J0 exp(-u2)du。求式(I)ダ函數(shù)對(duì)傅里葉時(shí)間變量/ 的偏導(dǎo)數(shù)，有
權(quán)利要求
1.一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)根據(jù)豎直地埋管換熱器鉆井群可使用地面面積，初步選取一組鉆井參數(shù)配置鉆井間距參數(shù)久偏移距離A及鉆井?dāng)?shù)#，鉆孔半徑4，鉆孔深度//，巖土導(dǎo)熱系數(shù)之，巖土熱擴(kuò)散系數(shù)d需要設(shè)計(jì)計(jì)算的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行年數(shù) 2)將地源熱泵系統(tǒng)中需要由地埋管換熱器從地下提取或排入地下的I年中每個(gè)小時(shí)時(shí)刻的熱量除以(// A0后，表示為單位豎井長(zhǎng)度逐時(shí)傳熱熱流的矩形脈沖序列
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效計(jì)算方法，本發(fā)明將熱泵系統(tǒng)豎直地埋管換熱器的逐時(shí)吸排熱熱流表示為矩形脈沖熱流序列，通過(guò)引入單位矩形脈沖熱流作用下地下巖土無(wú)量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)—函數(shù)的概念，獲得其積分區(qū)間為
的函數(shù)，將鉆井參數(shù)帶入設(shè)計(jì)計(jì)算，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，極大地減少了計(jì)算時(shí)間，為豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種高效的計(jì)算方法。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102855414SQ20121035717
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者陳友明, 張訓(xùn)水, 杜次元, 魏鵬飛 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)