本發(fā)明屬于建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法及其驗證系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

地源熱泵是一種清潔能源技術(shù)，具有節(jié)能和環(huán)保的特點。該技術(shù)以地下介質(zhì)為冷熱源，夏季和冬季分別向地下排熱和從地下吸熱，從而實現(xiàn)了對建筑物的制冷和供暖。地源熱泵系統(tǒng)通常由地熱換熱器、熱泵機組和末端設(shè)備組成；其中地熱換熱器是該系統(tǒng)區(qū)別于其他類型熱泵系統(tǒng)的主要標志，目前常采用鉆孔并埋設(shè)U型換熱管的方式。但鉆孔的投資過高，而且也需要一定量地面面積用來布置鉆孔，因此地源熱泵的發(fā)展受到了制約。

近些年來，人們開始考慮利用建筑物的樁基來埋設(shè)換熱管，因此出現(xiàn)了一種新穎的地熱換熱器，稱之為“樁埋管換熱器”或“能量樁”。由于樁基的直徑要遠大于鉆孔的直徑，且內(nèi)部通常布置螺旋管而非U型管，故每米樁埋管的換熱能力要明顯強于鉆孔埋管。但建筑物的樁基數(shù)量有限，故整個地源熱泵系統(tǒng)的地熱換熱器通常由能量樁和鉆孔埋管共同組成，能量樁最大程度的承擔部分冷熱負荷，鉆孔埋管負責另一部分冷熱負荷，因此鉆孔埋管的投資可明顯降低，且用于布置鉆孔的地面面積也相應減少。

樁基的長度通常在十米以上甚至能達到幾十米，地下水的滲流現(xiàn)象較為普遍，尤其是水力梯度較大或地下水資源豐富的地區(qū)，滲流對樁埋管換熱的影響更要引起重視。當?shù)叵滤鹘?jīng)能量樁時，樁基和周圍地下介質(zhì)的傳熱模式將由單一的純導熱轉(zhuǎn)變?yōu)楹袑岷蛯α鞯膹秃蠐Q熱。地下水的流動緩解了樁基周圍的熱積累，改善了樁埋管的傳熱性能，提高了每米樁埋管的換熱量。地下水的流速由當?shù)氐乃μ荻葲Q定，通常其速度為三維流動，即沿x,y和z方向都有分速度。相關(guān)文獻雖提出一些傳熱計算方法，但其傳熱模型不準確，無法反應樁基螺旋埋管的形狀，且地下水的流動通常是沿一個方向。而且，文獻對已存在的傳熱模型未結(jié)合實際傳熱情況進行驗證。

根據(jù)以上所述，目前尚未有準確的關(guān)于地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器傳熱的計算方法，也未有對傳熱計算方法進行驗證的系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法及其驗證系統(tǒng)，本發(fā)明所提出的方法和驗證系統(tǒng)，有利于掌握地下介質(zhì)的溫度變化以及地下溫度場的分布情況，使人們能夠深入認識地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱機理。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法，包括以下步驟：

(1)對地下水的流速進行測試；

(2)在地下水以三維速度流經(jīng)無限大均勻介質(zhì)的前提下，確認處于介質(zhì)中的以一定強度散熱的點熱源在介質(zhì)中任意一點處引起的溫度響應；

(3)構(gòu)建地下水以三維速度流經(jīng)單個樁埋管時的傳熱模型，獲得當具有一定螺旋間距、螺旋半徑和長度的換熱管埋設(shè)于樁基中形成樁基螺旋埋管地熱換熱器后的半無限大介質(zhì)中除螺旋管外任意一點溫度響應。

所述步驟(1)中，采用地下水流速流向測定儀對滲流中的地下水進行測試，可得到地下水流速的大小和方向。為樁埋管換熱器在地下水滲流時的傳熱計算方法提供重要參數(shù)。

所述步驟(2)中，根據(jù)點熱源在無限大介質(zhì)中以純導熱方式產(chǎn)生溫度響應的格林函數(shù)，對格林函數(shù)加以改變，得到地下水以三維流動的方式流經(jīng)地下介質(zhì)時點熱源引起的溫度響應。

所述步驟(2)中，在地下水以三維速度流經(jīng)無限大均勻介質(zhì)的前提下，地下介質(zhì)分布均勻且其孔隙率一致，根據(jù)孔隙率、地下固態(tài)介質(zhì)的體積比熱容、地下水的體積比熱容、地下固態(tài)介質(zhì)和地下水的導熱系數(shù)計算某段時刻內(nèi)位于(x’,y,’z’)的點熱源在無限大空間中任意一點(x,y,z)引起的溫度響應。

所述步驟(3)中，樁基內(nèi)部埋設(shè)有螺旋換熱管，當?shù)叵滤匀S的流速流經(jīng)單個樁埋管時，綜合考慮導熱和對流的影響，建立能量方程，列出所對應的初始和邊界條件；將地面的恒溫對有限長樁基螺旋埋管的影響加以考慮，并考慮了螺旋管和樁基的各個參數(shù)在換熱過程中的影響。

所述步驟(3)中，利用虛擬熱源法，即認為在地下介質(zhì)中存在恒定發(fā)熱的螺旋管，在以地面為對稱面的虛擬的另一半無限大介質(zhì)中，存在著恒定吸熱的螺旋管，即同時存在螺旋線熱源和螺旋線熱匯。因此，可得到螺旋埋管在三維地下水滲流條件下對地下介質(zhì)產(chǎn)生的溫度響應表達式，即地下介質(zhì)中除換熱管外任意一點在任意時刻的溫度響應。

所述步驟(3)中，得到了單個樁埋管換熱器在三維地下水滲流條件下對地下介質(zhì)產(chǎn)生的溫度響應表達式，即可計算出三維地下水流經(jīng)單個樁基螺旋埋管時，地下介質(zhì)中除換熱管外任意一點在任意時刻的溫度響應。

一種地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器傳熱計算方法的驗證系統(tǒng)，樁基螺旋埋管的兩端分別連接恒溫熱水箱的進水口與出水口，所述樁基埋管周圍土壤布設(shè)有多個沿樁基埋管的x、y和z軸方向均勻布置的熱電偶，所述熱電偶連接有數(shù)據(jù)采集儀，將所記錄數(shù)據(jù)上傳至電腦，通過對比采集的熱電偶的溫度響應值與傳熱計算方法得到的溫度響應值，驗證和鑒別所提傳熱計算方法的合理性。

所述螺旋埋管與恒溫熱水箱的連接管路上設(shè)置有溫度計和流量計，所述連接管路上設(shè)置有水泵，控制水流大小。

所述恒溫水箱內(nèi)設(shè)置有電加熱器，為螺旋換熱器提供循環(huán)熱水。

所述螺旋埋管的管徑、間距和螺旋長度根據(jù)樁基埋管的尺寸調(diào)整。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)地下水滲流環(huán)境下，樁埋管與地下介質(zhì)進行換熱時，傳熱模型為導熱和地下水產(chǎn)生的對流。當?shù)叵滤鹘?jīng)樁埋管時，地下介質(zhì)中除換熱管外的任意位置處在任何時刻的溫度變化可以直接通過計算獲得，而不必在現(xiàn)場埋設(shè)數(shù)量較多的熱電阻或熱電偶。同時，可以得到地下空間的溫度場分布。

(2)若存在地下水的滲流，樁埋管換熱器的換熱能力得到提高，每米換熱器的換熱量會增加，通過本發(fā)明的技術(shù)方案，揭示樁基螺旋埋管的換熱量與地下水流速之間的關(guān)系，分析不同地下水流速對具有不同幾何尺寸參數(shù)的樁基埋管的影響；

(3)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性因地下水的滲流作用而得到改善，這是由于地下水滲流使得樁基埋管承擔的換熱量增加，因而鉆孔埋管承擔的冷熱負荷會減少，鉆孔的投資費用會降低。采用樁埋管的主要目的是為了降低系統(tǒng)的初投資，進一步考慮滲流的影響，更是對樁埋管研究的進一步貢獻；

(4)采用驗證系統(tǒng)，對地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法進行驗證，可為該方法的合理性和可行性提供證明，從而使得該方法可獲得推廣應用。在地下水滲流條件下，凡是樁埋管換熱器的傳熱計算皆可使用該方法。

附圖說明

圖1為地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法及其驗證系統(tǒng)的邏輯示意圖

圖2為地下水滲流速度與坐標軸的夾角示意圖；

圖3為地下水滲流環(huán)境下樁基螺旋埋管驗證系統(tǒng)的示意圖；

其中：1地下水的滲流速度與Z軸的夾角α，2地下水滲流速度在XOZ面的投影與X軸的夾角β，3恒溫熱水箱，4電加熱器，5流量計，6溫度計，7水泵，8螺旋管起點h₁，9地下水滲流，10螺旋換熱管，11地下介質(zhì)，12螺旋管終點h₂,13熱電偶，14樁基。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

樁基和埋設(shè)于其內(nèi)部的螺旋換熱管皆具有相應的幾何尺寸，樁基的直徑及長度、螺旋直徑、螺旋間距、螺旋長度等參數(shù)都對樁埋管的換熱產(chǎn)生影響。地下介質(zhì)可認為是具有相同熱物性參數(shù)的均勻介質(zhì)。本發(fā)明提出地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法，對于具有不同幾何參數(shù)的樁基螺旋埋管，當?shù)叵滤鬟^時，在導熱與對流復合換熱的作用下，地下介質(zhì)中除螺旋換熱管外任意一點處的溫度響應可以獲得。

樁基螺旋埋管換熱器在地下水滲流條件下的換熱，要明確其相關(guān)的尺寸參數(shù)以及地下介質(zhì)的熱物性參數(shù)。循環(huán)液往返于螺旋換熱管和熱泵機組之間。根據(jù)流經(jīng)螺旋換熱管的循環(huán)液的進口溫度t₁和出口溫度t₂，以及循環(huán)液的質(zhì)量流量m和螺旋管在樁基中的深度h₂-h₁，計算出每米螺旋管的換熱量q_l，具體如公式(1)所示：

q_l＝C_p×m×(t₂-t₁)/(h₂-h₁) (1)

其中C_p為循環(huán)液的比熱容，為常數(shù)。

地下介質(zhì)分布均勻且其孔隙率為ε。ρ_sc_s是地下固態(tài)介質(zhì)的體積比熱容，ρ_wc_w是地下水的體積比熱容。k_s和k_w分別表示地下固態(tài)介質(zhì)和地下水的導熱系數(shù)。因此，地下介質(zhì)總的體積比熱容和導熱系數(shù)如公式(1)所示：

地下水滲流的速度u為矢量，包括大小和方向。滲流速度與Z軸的夾角為α，且滲流速度在XOZ面的投影與X軸的夾角為β。滲流速度在x,y和z方向上的分速度分別為u₁,u₂和u₃。螺旋管埋設(shè)于樁基中，螺旋半徑和間距分別為r₀和代表其螺旋角度。換熱管離地面的起始和終點位置分別為h₁和h₂,因此所對應的螺旋角度分別為：和螺旋管沿樁基表面以一定的間距和角度螺旋盤繞。在實際換熱過程中，循環(huán)液沿螺旋管進入然后沿中心的直管段流出返回熱泵機組。地下介質(zhì)的初始溫度和非初始溫度分別為t₀和t，在整個換熱過程中，地面的溫度保持恒定，且地下介質(zhì)和地下水的熱物性參數(shù)保持不變。(x’,y,’z’)代表螺旋管熱源上任意一點的坐標，(x,y,z)則表示除熱源外地下介質(zhì)中任意一點的坐標。τ是指換熱過程中的任意時段；θ＝t-t₀表示過余溫度，又可稱之為溫度響應，即樁埋管在地下水滲流條件下，所導致的地下介質(zhì)中任意一點任意時刻的溫度變化。

根據(jù)分析，對樁基螺旋埋管地熱換熱器在地下水滲流條件下的傳熱過程建立數(shù)學模型，里面包括能量方程和相應的初始及邊界條件。如公式(2)所示,r為地下介質(zhì)中任意一點距離樁基埋管中心軸線的徑向距離。

其中，δ(x-x’,y-y’,z-z’)為狄拉克函數(shù)。根據(jù)公式(3)，可計算得到地下介質(zhì)中除換熱管外任意一點在任意時刻的溫度響應，這也是在地下水滲流作用下，樁基螺旋埋管和地下介質(zhì)進行熱交換時對地下空間造成的熱影響。樁基和螺旋管的幾何參數(shù)可以任意取值，只要某個樁基螺旋埋管換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸和地下水的流速已知，則可根據(jù)公式(3)得到溫度響應的值；這也是本發(fā)明傳熱計算方法的意義所在，可用來計算任意尺寸的能量樁在不同地下水滲流速度時所產(chǎn)生的溫度響應。

地下水以三維的方式進行滲流，其滲流速度u沿x,y和z方向的速度量分別為u₁,u₂和u₃，螺旋管的半徑和間距分別為r₀和b,螺旋角度為換熱管離地面的起始和終點位置分別為h₁和h₂,樁基的直徑和深度分別為r_p和H。在布置換熱管的過程中，螺旋管的直徑通常要略小于樁基的直徑，且該管和樁基底部之間要保持一定間距。對傳統(tǒng)的格林函數(shù)進行變形，可獲得地下水以三維流動的方式流經(jīng)地下介質(zhì)時點熱源引起的溫度響應：

從格林函數(shù)的角度來說，U₁、U₂和U₃分別為地下水沿x,y和z軸的分速度。對于在地下水滲流時的多孔介質(zhì)中，位于(x’,y,’z’)的點熱源，從τ’時刻開始發(fā)熱直到τ時刻在無限大空間中任意一點(x,y,z)引起的溫度響應表達式仍然采用公式(4)，只是此時公式中U₁＝u₁ρ_wc_w/ρc,U₂＝u₂ρ_wc_w/ρc,U₃＝u₃ρ_wc_w/ρc，而u₁、u₂和u₃為實際地下水的三個分速度。

為了獲得樁基螺旋埋管在三維空間中產(chǎn)生的溫度響應，在本發(fā)明方案的實施過程中，考慮樁埋管在地下水滲流時的換熱，地面的溫度恒定不變，螺旋管在樁基內(nèi)的起始位置分別為h₁和h₂。

根據(jù)公式(4)，采用虛擬熱源法，所謂虛擬熱源法，即在地下介質(zhì)中存在恒定發(fā)熱的螺旋管，在以地面為對稱面的虛擬的半無限大介質(zhì)中，存在著恒定吸熱的螺旋管。從而存在著所謂的螺旋線熱源和螺旋線熱匯。單個樁基螺旋埋管在地下水滲流條件下，自時刻τ’開始與地下介質(zhì)進行換熱，到τ時刻時在地下空間內(nèi)除螺旋管外任意點(x,y,z)所引起的溫度響應的計算公式為：

其中，

圖3為地下水滲流環(huán)境下樁埋管換熱器的傳熱計算方法的驗證系統(tǒng)，實驗中采用恒溫熱水箱代替熱泵機組，模擬了地下水滲流條件下地源熱泵系統(tǒng)能量樁地熱換熱器在換熱時周圍介質(zhì)的溫度響應。循環(huán)水被加熱后進入樁基中的螺旋換熱管進行散熱，將熱電偶布置于樁基螺旋埋管的周圍，熱電偶得出的溫度響應數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)采集儀進行記錄，通過測試到的溫度響應值與所提傳熱模型得到的溫度響應值進行比較，可驗證本發(fā)明的傳熱計算方法的合理性。熱電偶沿x,y和z軸方向均勻布置。

螺旋管與恒溫熱水箱的連接管路上設(shè)置有溫度計和流量計。

可以選取任意幾何尺寸的樁基，同時螺旋換熱管的管徑、間距、螺旋長度等幾何參數(shù)也可以不斷變化和調(diào)整，更能體現(xiàn)出本驗證系統(tǒng)的效果。樁基周圍的介質(zhì)可以是任何類型的地下介質(zhì)。

通過地下水流速流向測定儀測試獲得地下水的流速大小和方向后，將地下水流速以及其他的參數(shù)代入本發(fā)明所提的傳熱計算方法中，計算獲得樁埋管周圍地下介質(zhì)中的溫度響應值，將計算值與熱電偶的測試值進行比較，從而驗證傳熱計算方法。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。