本發(fā)明屬于建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)工程
技術領域：
，具體涉及一種樁基螺旋埋管在地下水滲流條件下的溫度響應計算方法。
背景技術：
：地源熱泵技術以地下介質(zhì)為冷熱源，夏季和冬季分別向地下排熱和從地下吸熱。地下介質(zhì)的溫度全年波動較小，是一種理想的冷熱源，因此該類型熱泵具有節(jié)能及環(huán)保的優(yōu)勢，屬于可再生能源空調(diào)系統(tǒng)，受到了廣泛應用。地熱換熱器部分是地源熱泵系統(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U型換熱管的方式，但由此造成了初投資過高和需要一定量地面面積布置鉆孔，這兩大缺點成為制約地源熱泵發(fā)展的主要障礙。隨著人們對地熱換熱器研究的不斷發(fā)展，建筑物的承載構(gòu)件即樁基，被考慮用來埋設換熱管，由此產(chǎn)生了一種新穎地熱換熱器，稱之為“樁埋管換熱器”。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。因建筑物的樁基數(shù)量有限，整個系統(tǒng)的地熱換熱器可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，余下的負荷由鉆孔埋管負責，因此鉆孔的花費大大降低，且布置鉆孔的地面面積也會減少。由于樁基的長度超過十米甚至達到幾十米，地下水的滲流現(xiàn)象不可忽視，尤其是水力梯度較大或地下水資源豐富的地區(qū)，滲流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。樁埋管在傳熱過程中，周圍介質(zhì)受其影響溫度不斷變化，當?shù)叵滤疂B流現(xiàn)象出現(xiàn)時，地下介質(zhì)的溫度響應程度受地下水的影響被減緩，意味著地下水降低了樁埋管的傳熱對地下空間的影響。目前，對樁埋管在地下水滲流條件下的研究較少，尚未有計算地下水在地下空間內(nèi)以三維速度進行滲流時地下介質(zhì)溫度響應的方法。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種樁基螺旋埋管在地下水滲流條件下的溫度響應計算方法，本發(fā)明所提出的這一計算方法，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對樁埋管換熱的影響。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種樁基螺旋埋管在地下水滲流條件下的溫度響應計算方法，包括以下步驟：(1)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；(2)構(gòu)建地下水以三維速度流經(jīng)單個樁埋管時的溫度響應傳熱模型，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的溫度響應；(3)在鉆孔埋管換熱器周圍布置測點進行溫度響應測試，并利用有限長線熱源滲流模型，反向推算地下水的流速，結(jié)合構(gòu)建的響應模型，計算溫度響應結(jié)果。所述步驟(1)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(1)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(2)中，螺旋換熱管布置于樁基后，地下水以三維的流速流經(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(2)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，有恒定吸熱的螺旋管，即同時存在著螺旋線熱源和螺旋線熱匯，得到了有限長的樁基螺旋埋管地熱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后，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。所述步驟(2)中，根據(jù)單個樁基螺旋埋管在地下水滲流條件下，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，考慮若干個樁基埋管在該點引起的溫度響應的疊加，結(jié)合樁埋管之間的間距、排列方式，從而確定樁埋管群體在該點引起的溫度響應。所述步驟(3)中，具體過程包括：(3-1)沿鉆孔埋管換熱器周圍及深度方向均勻布置測點，在測點處安裝熱電偶或熱電阻。(3-2)設定好地下水流速和方向角的范圍，從設定范圍內(nèi)抽取數(shù)據(jù)；(3-3)采用鉆孔埋管的地下水滲流計算模型，計算鉆孔周圍布設的點的過余溫度；(3-4)計算每個布置點的理論計算值與實際值的方差，判斷是否有符合設定值個數(shù)的布設點的方差和達到最小值，如果是，則輸出此時的地下水流速的大小和方向，如果不是，則繼續(xù)從地下水流速大小和方向的范圍內(nèi)抽取數(shù)值進行迭代計算。所述步驟(3-1)中，在鉆孔埋管換熱器周圍布置耐腐蝕的熱電偶或熱電阻，采用數(shù)據(jù)采集儀進行記錄所布置點的溫度隨時間的變化。所述步驟(3-2)中，將流速大小和角度在各自的范圍內(nèi)不斷抽取，代入有限長線熱源滲流模型進行計算。所述步驟(3-3)中，利用鉆孔埋管在地下水滲流條件下比較成熟的有限長線熱源滲流模型，結(jié)合自步驟3-2中不斷抽取來的地下水流速大小和方向，計算獲得鉆孔周圍所布置點的溫度響應值。所述步驟(3-4)中，使方差和對地下水流速的大小u和兩個方向角α和β都取一階導數(shù)，三個一階導數(shù)都同時小于設定值時，認為一階導數(shù)近似為零，此時，對于該點的方差和已達到最小。本發(fā)明的有益效果為：(1)樁基螺旋埋管作為地熱換熱器在與地下介質(zhì)進行換熱過程時，當?shù)叵滤臐B流作用被考慮之后，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)場埋設數(shù)量較多的熱電阻或熱電偶。通過獲得一個樁基埋管在地下水滲流作用下的溫度響應的計算方法，進而掌握在地下水滲流條件下若干個樁埋管引起的地下介質(zhì)的溫度變化；(2)地下水的滲流增強了地熱換熱器的換熱能力，每米換熱器的換熱量得到增加，可以通過本發(fā)明的技術方案，揭示樁基螺旋埋管的換熱量與地下水流速之間的關系，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)地下水的滲流作用，改善了整個地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性，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)為了配合本發(fā)明計算方法的應用，地下水的滲流速度必須要首先得出，通過提出反向推理計算法，可以不必通過直接測量而得知地下水流速。滲流速度通常較小，直接測量的困難較大，且地下環(huán)境復雜不易布置測量流速的儀器。因此獲得地下水滲流速度也是本發(fā)明的一個重要意義；(5)地下介質(zhì)中任意一點的溫度響應，是具有一定排列形狀的樁埋管群在地下水滲流條件下共同作用的結(jié)果，在同一點處和相同的滲流速度下，不同形狀排列的管群所產(chǎn)生的作用并不相同，可以根據(jù)溫度響應的計算方法，分析各個排列方式的管群在相同地下水滲流速度時，所產(chǎn)生的溫度響應的區(qū)別，從中優(yōu)化管群的排列方式。附圖說明圖1為地下水滲流條件下樁基螺旋埋管換熱時的示意圖；圖2為地下水滲流速度與坐標軸的夾角示意圖；圖3為鉆孔周圍布置測點示意圖；圖4為反向推理計算法的流程示意圖。其中：1螺旋管起點h1,2地下水滲流，3建筑物樁基，4螺旋換熱管，5地下介質(zhì)，6螺旋管終點h2,7螺旋管間距b,8地下水滲流，9地下水的滲流速度與Z軸的夾角α，10地下水滲流速度在XOZ面的投影與X軸的夾角β，11鉆孔，12鉆孔周圍布置的測點。具體實施方式：下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。樁基和埋設于其內(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)明提出地下水滲流條件下能量樁產(chǎn)生的溫度響應的解析計算法，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。此外，地下水的流速是包含大小和方向的矢量，直接測量流速是一項非常困難的工作，且地下水的滲流速度較小，不易測得。因此，本發(fā)明了一種反向推理法用以推算地下水的滲流速度，包括其大小和方向。將獲得的地下水流速代入計算地下介質(zhì)溫度響應的方法中，可得到地下介質(zhì)任意一點任何時刻的溫度變化。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，可分析樁基螺旋埋管的換熱量與地下水流速之間的關系。樁基螺旋埋管換熱器在地下水滲流條件下的換熱，要明確其相關的尺寸參數(shù)以及地下介質(zhì)的熱物性參數(shù)。圖1為樁基埋管在地下水滲流條件下的示意圖，循環(huán)液往返于螺旋換熱管和熱泵機組之間，其流經(jīng)螺旋管時的進出口溫度、流量可用溫度計和流量計測得從而計算出樁基埋管每米的換熱量ql。地下介質(zhì)分布均勻且其孔隙率為ε。ρscs是地下固態(tài)介質(zhì)的體積比熱容，ρwcw是地下水的體積比熱容。ks和kw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：k=ϵkw+(1-ϵ)ksρc=ϵρwcw+(1-ϵ)ρscs---(1)]]>地下水滲流的速度u為矢量，包括大小和方向，其在x,y和z方向上的分速度分別為u1,u2和u3。螺旋管埋設于樁基中，螺旋半徑和間距分別為r0和b,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。ql為每米樁埋管換熱器的傳熱量。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，δ(x-x’,y-y’,z-z’)為狄拉克函數(shù)。根據(jù)公式(2)，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(2)得到溫度響應的值；這也是本發(fā)明的發(fā)明意義所在，可用來計算任意尺寸的樁埋管在不同地下水滲流速度時所產(chǎn)生的溫度響應。建筑物的樁基有若干個，意味著樁基螺旋埋管換熱器的個數(shù)若干，若不考慮鉆孔埋管換熱器，地下介質(zhì)中的任意一點溫度響應則是由這若干個樁埋管產(chǎn)生的溫度響應在該點處的疊加，故可根據(jù)一個樁埋管在地下水滲流時的計算方法，疊加若干個樁埋管產(chǎn)生的總的溫度響應。地下水流速為矢量，大小和方向取決于當?shù)氐乃μ荻龋浯笮》秶ǔＴ?0-8m/s～10-1m/s之間。由于滲流速度較小，不易直接采用設備測量，一種全新的反向推理法在本發(fā)明中被提出。目前鉆孔埋管在地下水滲流時的研究已較為成熟，有限長線熱源滲流模型可用來計算鉆孔埋管地熱換熱器在地下水滲流條件下周圍地下介質(zhì)中的溫度響應，為了反向推算地下水的流速大小和方向，可采用理論計算加實驗測量的方式。地下水的滲流大小雖未知，但根據(jù)當?shù)氐乃Y料，可知其在一定范圍內(nèi)，因此首先設定地下水流速大小的范圍。另外，地下水的方向亦未知，由于水力梯度通常是呈三維分布，地下水的滲流速度也是三維分布，即其沿x,y和z方向均有分速度。根據(jù)圖2所示，流速的方向主要由兩個參數(shù)決定，即流速與z軸的夾角α以及流速在xoy面上的投影與x軸的夾角β，這兩個角度的具體值雖未知，但α和β的范圍分別為0≤α≤π和0≤β≤2π。在鉆孔埋管的周圍均勻布置五個點，如圖3所示，五個點距離鉆孔中心的距離相等且彼此之間的夾角相等，這是在一個水平面沿鉆孔埋管周圍布置五個點；沿鉆孔深度方向上每隔幾米就在對應的水平面上均勻布置五個點，在這些點處埋設熱電偶，溫度響應隨時間的變化可用熱電偶獲得。另外，將流速大小和角度在各自的范圍內(nèi)不斷抽取，代入有限長線熱源滲流模型中，每個點處計算得到的溫度響應與熱電偶測得的溫度響應的差值達到最小時，此時從范圍中抽取的流速大小和角度正是實際的地下水滲流速度的值；所對應的計算如公式(3)所示：S=Σk=1n(θcal,k-θexp,k)2---(3)]]>k表示采集數(shù)據(jù)階段內(nèi)，每一時刻的序號。θcal,k表示在第k時刻采用線熱源滲流模型數(shù)學公式計算得到的溫度響應，而θexp,k則表示在第k時刻實驗采集到的溫度響應值。在實驗過程中設定時間間隔，每隔一定時間，數(shù)據(jù)采集儀會記錄一次數(shù)據(jù)，包括從k＝1時刻到n時刻的實驗數(shù)據(jù)。公式(3)給出了所布置的點中任意一點在采集數(shù)據(jù)的時間階段內(nèi)實驗值與理論計算值的方差和。當在鉆孔周圍布置的大多數(shù)的點方差和同時達到最小值時，此時從流速的大小和方向的范圍內(nèi)抽取的數(shù)值即為實際值，意味著通過不斷的迭代進行反向推理計算，直到方差和的值達到最小時可獲得地下水的流速大小和方向。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，具體如公式(4)所示：ql＝Cp×m×(t2-t1)/(h2-h1)(4)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rp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：T(x,y,z,τ;x′y′,z′,τ′)=18[πa(τ-τ′)]3/2exp{-[x-x′-U1(τ-τ′)]2+[y-y′-U2(τ-τ′)]2+[z-z′-U3(τ-τ′)]24a(τ-τ′)}---(5)]]>公式(5)為在純導熱基礎上變形后的新格林函數(shù)，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(5)，只是此時公式(5)中U1＝u1ρwcw/ρc,U2＝u2ρwcw/ρc,U3＝u3ρwcw/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，可首先將樁埋管假設為無限長，沿深度方向的傳熱可被忽略，而只考慮水平面x和y方向的傳熱，意味著地面的影響被忽略。根據(jù)公式(2)和(5)，可得出無限長的樁埋管在地下水滲流條件下的溫度響應計算公式，如公式(6)所示：θi=ql2πρc∫-∞+∞dz′∫02πdφ′∫0τ18[πa(τ-τ′)]3/2·exp[-[x-x′-u1(τ-τ′)]2+[y-y′-u2(τ-τ′)]2+[z-z′-u3(τ-τ′)]4a(τ-τ′)]dτ′---(6)]]>在公式(6)的基礎上，進一步考慮有限長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。無限長樁埋管的結(jié)果為有限長的研究奠定了基礎。根據(jù)公式(2)和(5)，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，有恒定吸熱的螺旋管。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，z’＝z’。公式(7)列出了一個有限長樁埋管在地下水滲流時引起的溫度響應，而對于任意一點，其溫度響應是由若干個樁基埋管，或者說是有樁基埋管群在該點引起的溫度響應的疊加，因此，樁埋管群體在任意一點(x,y,z)引起的溫度響應表達式(8)為：θtotal=Σi=1nθi=Σi=1nql2πρc∫0τdτ′∫02πdφ′18[πa(τ-τ′)]3/2exp[-[x-(xi+r0cosφ′)-U1(τ-τ′)]2+[y-(yi+r0sinφ′)-U2(τ-τ′)]24a(τ-τ′)]∫h1h2{exp[-[z-z′-U3(τ-τ′)]24a(τ-τ′)]-exp[-[z+z′-U3(τ-τ′)]24a(τ-τ′)]}dz′---(8)]]>因為樁基在排列過程中，每個樁埋管沿深度方向的坐標相同，區(qū)別在于它們的水平面坐標，即x和y方向的差異。由樁埋螺旋管在地下水滲流作用下的溫度響應計算公式可知，地下水的流速必須要得出，才能計算出溫度響應值。根據(jù)介紹的反向推理計算法，相應的反向計算流程如圖4所示。沿鉆孔深度方向布置耐腐蝕的熱電偶或熱電阻，采用數(shù)據(jù)采集儀進行記錄所布置點的溫度隨時間的變化。每個點的理論計算值與實驗數(shù)據(jù)差值的方差和達到最小時，此時從地下水流速的大小和方向里抽取的數(shù)值即為實際的地下水流速值。由于布置在鉆孔周圍的點數(shù)較多，沿深度方向每隔幾米就均勻布置五個點，每一層的五個點的方差和要都能達到最小，而且，延深度方向有若干個水平面，總的布置的點數(shù)較多，要使所有的點的方差和都達到最小是不可能的，當大多數(shù)的點的方差和能同時達到最小時，可以認為地下水的流速大小和方向已被獲得。根據(jù)以上流程，要想使每個點的方差和最小，結(jié)合數(shù)學知識，要使方差和對地下水流速的大小u和兩個方向角α和β都取一階導數(shù)。從理論上講，對同一個點而言，三個一階導數(shù)同時為零，但由于實際計算以及實驗的誤差，一階導數(shù)為零的可能性極小，可以設定一個較小的值，如果三個一階導數(shù)都同時位于較小的值時，可以認為一階導數(shù)近似為零，此時，對于該點的方差和已達到最小。公式(9)針對這些列出了相應的表達式。-0.05≤∂S∂u≤0.05-0.05≤∂S∂α≤0.05-0.05≤∂S∂β≤0.05---(9)]]>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，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(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)。當前第1頁1 2 3