專利名稱：一種基于孔壁代表溫度的鉆孔間間距的仿真設計方法
技術領域：
地源熱泵技術是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的能源利用方式，可通過消耗少量高品位能實現(xiàn)熱量從低位熱源向高位熱源的轉移。近幾年來，在我國政府的大力支持下，地源熱泵項目數(shù)量呈逐年增多趨勢，但是其關鍵技術和相關理論還有待提高和完善。地源換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱裝置，通常由一組規(guī)則排列的鉆孔和其中的豎直U型地埋管組成。地源換熱器的換熱效率直接影響著地源熱泵系統(tǒng)的運行效率，因此對它的尺寸設計是搭建整個系統(tǒng)之前必不可少的環(huán)節(jié)。但是國內(nèi)許多工程為了節(jié)約占地面積，常采用密集度較高的管群布置方式。這種排列緊湊的形式將直接導致地源換熱器換熱效率的降低，不利于地源熱泵系統(tǒng)的長期運行。合理地設計鉆孔之間的距離是提高換熱效率的保證，具有十分重要的意義。國內(nèi)外大量文獻表明，減小鉆孔間距會加劇豎直U型地埋管之間“熱干擾”作用。隨著地源熱泵運行年限的增大，這種效果將表現(xiàn)得日益明顯；過分地增大鉆孔間距雖然能削弱管群的“熱干擾”作用，但是會大幅增加系統(tǒng)的占地面積，不利于整體施工的統(tǒng)籌規(guī)劃。
背景技術：
國內(nèi)地源熱泵工程常采用《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB-503662009)作為地源換熱器設計的標準，其中“鉆孔間距應滿足換熱需要，間距宜為3-6m”。這個間距范圍主要由以往工程經(jīng)驗獲得，對地源換熱器的設計具有一定的指導意義。但是也正是因為它主要來源于實踐，缺乏理論上 的支持。同時，規(guī)范中并沒有明確指明鉆孔間距具體應為多少米。而且從其用詞可以看出，這個間距范圍只是一個建議值，并不是一種嚴格的規(guī)定。因此，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》只是工程施工的一個參考，最佳的鉆孔間距應該以更科學的方法獲得?？妆诖頊囟仁堑卦礋岜霉こ讨凶铌P心的參數(shù)之一，可由建立豎直U型地埋管孔外傳熱模型進行求解。相關文獻表明，最精確高效的建模方法是建立單個鉆孔的有限長線熱源模型，再通過疊加的方式得到多個鉆孔的傳熱模型。這種建模方法雖然能夠比較精確地求解孔壁代表溫度，但是計算速度較慢，且無法直接分析鉆孔間距對傳熱過程的影響。無論在孔壁溫度的求解和地源換熱器的設計上都具有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于孔壁代表溫度的鉆孔間間距的仿真設計方法，其特征在于，是在計算機中依次按如下步驟實現(xiàn)的:步驟(1)，構造一個用于鉆孔群的鉆孔間間距優(yōu)化選擇用的計算機仿真系統(tǒng)，包括:計算機，鉆孔群和設在鉆孔內(nèi)的垂直U型地埋管入口、出口處的溫度傳感器，計算機中:設立:鉆孔群的總熱負荷量Qn，單位為W，系統(tǒng)運行時刻τ，單位為S，土壤有效導熱系數(shù)k，單位為W/m°C，土壤的初始溫度Ttl單位為。C，鉆孔數(shù)量N，鉆孔半徑Rb，單位為m，土壤熱擴散系數(shù)a，單位為m2/s，鉆孔深度H，單位為m，以及布置在鉆孔中的垂直U型地埋管的放熱或吸熱強度q。= Qn/(NXH)，單位為W/m，假設:將埋在鉆孔內(nèi)的垂直U型地埋管等效為長度一定的線熱源，所述線熱源上任意一個微元距離地面的高度為h，單位為m，土壤為半無限大各向同性介質，熱物性參數(shù)恒定，土壤初始溫度分布均勻，在整個傳熱過程中只存在熱傳導，忽略地下水及空氣對土壤溫度的影響，地表溫度恒定，構建:從所述鉆孔群中任意選擇四個相鄰鉆孔構成一個小矩形區(qū)域，稱為單位鉆孔群區(qū)域，每根垂直U型地埋管的換熱效率受其他三根垂直U型地埋管的影響，形成水平方向上的上、下兩個雙鉆孔子域，在每個雙鉆孔子域中，兩根垂直U型地埋管形成的兩個實際線熱源分別關于地面對稱位置上方各建立一個虛擬線熱源，吸熱型強度為- ,長度為H，所構成的雙鉆孔子域是一個平面域，幾何中心位于個虛擬線熱源與實際線熱源接觸處水平連線的中心點，于中心點O'上建立一個柱坐標系，(P ' , ζ /，z')表示點的坐標，ζ'軸垂直于所屬連線且過中心點O'，P '軸垂直于ζ'軸，且與ζ'軸相交于中心點O'，ζ ,表示所述P'軸與所述連線的夾角，位于雙鉆孔孔外三維空間土壤中任意一點叫的坐標用札㈧'’ ζ ' ,Z1 )表不，

兩對雙鉆孔子區(qū)域構成一個四鉆孔區(qū)域，也稱為單位鉆孔群域，在所述單位鉆孔群域的幾何中心O點上建立一個平行于所述雙鉆孔子域柱坐標系的柱坐標系，位于四鉆孔外三維空間土壤中任意一點M2的坐標用M2 ( P，ζ，Ζ)表示，步驟(2)，依次按下列步驟實現(xiàn)鉆孔間間距的優(yōu)化選擇:步驟(2.1),計算機初始化:雙鉆孔子區(qū)域:鉆孔間間距的初始值L1ini，總迭代次數(shù)N1，迭代步長AL1，令Ii1 =O, IL N1，初始 Ii1 = 0，四鉆孔區(qū)域:鉆孔間距的初始值L2ini,總迭代次數(shù)N2，迭代步長Λ L2，令η2 = 0，ILN2,初始 η2 = O, 約束條件:孔壁代表溫度Tbl的變化率P1的閾值Pimax和孔壁代表溫度Tb2的變化率P2的閾值P2max，孔壁代表溫度Tbl的變化率P1是指雙鉆孔子區(qū)域中鉆孔間距每增加lm，孔壁代表溫度Tbl的變化量，必須滿足:
權利要求
1.一種基于孔壁代表溫度的鉆孔間間距的仿真設計方法，其特征在于，是在計算機中依次按如下步驟實現(xiàn)的: 步驟(I )，構造一個用于鉆孔群的鉆孔間間距優(yōu)化選擇用的計算機仿真系統(tǒng)，包括:計算機，鉆孔群和設在鉆孔內(nèi)的垂直U型地埋管入口、出口處的溫度傳感器， 計算機中: 設立:鉆孔群的總熱負荷量Qn，單位為W，系統(tǒng)運行時刻T，單位為S，土壤有效導熱系數(shù)k，單位為W/m°C，土壤的初始溫度Ttl單位為V，鉆孔數(shù)量N，鉆孔半徑Rb，單位為m，土壤熱擴散系數(shù)a，單位為m2/s，鉆孔深度H，單位為m，以及布置在鉆孔中的垂直U型地埋管的放熱或吸熱強度Qtl = Qn/ (NXH)，單位為W/m， 假設:將埋在鉆孔內(nèi)的垂直U型地埋管等效為長度一定的線熱源，所述線熱源上任意一個微元距離地面的高度為h，單位為m， 土壤為半無限大各向同性介質，熱物性參數(shù)恒定，土壤初始溫度分布均勻， 在整個傳熱過程中只存在熱傳導，忽略地下水及空氣對土壤溫度的影響， 地表溫度恒定， 構建:從所述鉆孔群中任意選擇四個相鄰鉆孔構成一個小矩形區(qū)域，稱為單位鉆孔群區(qū)域，每根垂直U型地埋管的換熱效率受其他三根垂直U型地埋管的影響，形成水平方向上的上、下兩個雙鉆孔子域， 在每個雙鉆孔子域中，兩根垂直U型地埋管形成的兩個實際線熱源分別關于地面對稱位置上方各建立一個虛擬線熱源，吸熱型強度為_%，長度為H，所構成的雙鉆孔子域是一個平面域，幾何中心位于個虛擬線熱源與實際線熱源接觸處水平連線的中心點，于中心點O'上建立一個柱坐標系，(P ',z')表示點的坐標，Z'軸垂直于所屬連線且過中心點O'，P '軸垂直于Z'軸，且與Z'軸相交于中心點O'，ζ '表示所述P '軸與所述連線的夾角，位于雙鉆孔孔外三維空間土壤中任意一點M1的坐標用M1 (P ' , ζ /，z')表示，兩對雙鉆孔子區(qū)域構成一個四鉆孔區(qū)域，也稱為單位鉆孔群域，在所述單位鉆孔群域的幾何中心O點上建立一個平行于所述雙鉆孔子域柱坐標系的柱坐標系，位于四鉆孔外三維空間土壤中任意一點M2的坐標用M2 ( P，ζ，ζ)表示， 步驟(2)，依次按下列步驟實現(xiàn)鉆孔間間距的優(yōu)化選擇: 步驟(2.1),計算機初始化: 雙鉆孔子區(qū)域:鉆孔間間距的初始值L1ini，總迭代次數(shù)N1，迭代步長AL1，令Ii1 = O, ILN1,初始 Ii1 = O, 四鉆孔區(qū)域:鉆孔間距的初始值L2ini,總迭代次數(shù)N2，迭代步長Λ L2，令η2 = O，IL N2,初始η2 = O, 約束條件:孔壁代表溫度Tbl的變化率P1的閾值Pimax和孔壁代表溫度Tb2的變化率P2的閾值Ρ2ΜΑΧ， 孔壁代表溫度Tbl的變化率P1是指雙鉆孔子區(qū)域中鉆孔間距每增加lm，孔壁代表溫度Tbl的變化量，必須滿足:
全文摘要
一種基于孔壁代表溫度的鉆孔間間距的仿真設計方法，屬于地熱技術中鉆孔間距設計領域，其特征在于從鉆孔群中任意選擇四個相鄰且內(nèi)有垂直U型地埋管的鉆孔，構成一個四鉆孔區(qū)域，也稱單位鉆孔群區(qū)域，再從水平方向分成兩個雙鉆孔子區(qū)域，求出雙鉆孔子區(qū)域柱坐標系下的點M1的瞬態(tài)溫度值的普遍公式，再把M1點橫向映射到上下接觸的虛擬線熱源或實際線熱源上，得到雙鉆孔下的孔壁代表溫度Tb1，按同樣方法求出四鉆孔區(qū)域中點M2所橫向映射的虛擬線熱源或實際線熱源上的孔壁代表溫度Tb2，先后設定雙鉆孔子區(qū)域和四鉆孔區(qū)域的孔壁代表溫度變化率P1和P2的閾值P1MAX和P2MAX，經(jīng)過多次迭代后先后計算出在閾值范圍內(nèi)的L1OPT和L2OPT，得到鉆孔間距的最優(yōu)值，本發(fā)明解決了鉆孔間距和換熱效率之間的矛盾，在保證精度的條件下解決了運算速度慢的問題，使鉆孔間距和孔壁代表溫度都得到了平衡。
文檔編號G06F17/50GK103235860SQ201310163669
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月7日 優(yōu)先權日2013年5月7日
發(fā)明者張亞庭, 張曄, 姜偉昌, 焦全文 申請人:北京工業(yè)大學