[发明专利]一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及地源热泵领域,特别是一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法。 

背景技术

在地源热泵中，竖直地埋管式地热耦合热泵系统因地下岩土温度场稳定、能源效率高而愈来愈被广泛使用。它主要用在各类建筑的采暖空调和热水供应系统中。竖直地埋管换热器建造成本高，换热器设计过大会导致初投资浪费、运行成本高；换热器设计偏小则不能保证热泵系统稳定运行，不能满足系统吸排热量的需求，降低系统运行效率。在设计地热耦合热泵系统时，竖直地埋管换热器的设计计算十分关键。

热泵系统运行期一般为10-30年。为了设计恰当大小的竖直地埋管换热器，需要根据热泵系统运行期内逐时吸排热量计算出竖直地埋管换热器管内逐时流体温度、地下岩土逐时瞬态温度，以评估换热器的大小是否能满足热泵系统在运行期内的吸排热量需求。

竖直地埋管换热器的设计计算参数多，必须通过参数化设计才能设计出合适大小的地埋管换热器。目前大多采用g函数方法计算地埋管换热器在运行期内的管内逐时流体温度、地下岩土逐时瞬态温度。所谓g函数，就是单个垂直钻井在单位热流的作用下地埋管换热器管壁温度和地下岩土无量纲瞬态温度响应。有了g函数值和热泵系统在运行期内的逐时吸排热量，通过钻井叠加作用和时域卷积或频域快速傅里叶变换（FFT）就可求得钻井群在运行期内换热器管壁温度和地下岩土瞬态温度的逐时值。g函数可以是用数值方法计算出的数据表格；也可以是将单个钻井看作有限线热源、无限线热源和圆柱热源在单位热流作用下换热器管壁温度和地下岩土瞬态温度响应的解析解。不管是用数值方法还是用解析方法，计算g函数逐时值需要消耗大量时间。一般是先将不同钻井参数的g函数计算出来，在设计计算时通过查表和插值方法获得钻井计算参数下的g函数值。时域卷积计算也是非常耗时的。于是有专家提出基于g函数的“负荷聚集法”(Load aggregation method)和傅里叶变换样条法(FFT-s)等方法以降低计算时间。用有限线热源模型解析式g函数设计计算地埋管换热器，例如计算40个钻井30年运行期的一组参数，用时域卷积计算需要1天多的时间，用FFT计算也需要2个多小时(含计算g函数的时间)。钻井群有许多组参数配置需要进行计算，用数据表格形式储存g函数值需要一个很大的数据库，而预先计算出的数据库很难包含设计计算所涉及的全部参数的全部范围。另一方面，不管是查表和插值获取g函数值，还是“负荷聚集法”(Load aggregation method)与傅里叶变换样条法(FFT-s)等方法，都会带来较大计算误差。因此，用g函数及其衍生的计算方法难以实现竖直地埋管换热器的参数化设计。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法，保证计算结果准确可靠，极大地减少计算时间。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种竖直地埋管换热器参数化设计的高效计算方法，该方法包括以下步骤：

1）根据竖直地埋管换热器钻井群可使用地面面积，初步选取一组钻井参数配置：钻井间距参数D, 偏移距离x，及钻井数N, 钻孔半径r_b，钻孔深度H，岩土导热系数k_s，岩土热扩散系数                                                ，需要设计计算的热泵系统运行年数n；

2）将地源热泵系统中需要由地埋管换热器从地下提取或排入地下的1年中每个小时时刻的热量除以(H??N)后, 表示为单位竖井长度逐时传热热流的矩形脉冲序列[(q(t₁), q(t₂), q(t₃), …, q(t₈₇₆₀)]；

3）利用单个钻井有限线热源模型在单位阶跃热流作用下导出的地下任意深度z (或h)和半径距离(r)无量纲瞬态温度响应g函数的解析形式：

            (1)

式中，；；；；；，称为傅里叶时间；为时间；erfc(z)为余误差函数，；求式(1) g函数对傅里叶时间变量Fo的偏导数，有