[发明专利]一种集群竖埋管地热换热器传热简化分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及地源热泵的地热换热器传热分析方法，具体涉及简化分析集群竖埋管地热换热器传热的方法。

背景技术

作为一种可再生能源技术，地源热泵技术在我国得到广泛应用。地热换热器是地源热泵系统的关键组成部分且初投资高，其设计的优劣直接决定地源热泵系统运行的经济性和可靠性。对长期运行的埋管群地热换热器，通常基于建立的单孔埋管传热模型，采用线性叠加原理进行传热分析。目前主要采用线热源模型、圆柱面(或体)模型、数值方法进行分析计算。然而大型地源热泵系统中的大集群竖埋管地热换热器由于埋管数量众多，导致计算量极大，不仅需要计算机硬件配置高，计算时间也大大加长，解析解的计算往往需要数小时，而数值解更需要数天或者数周的时间。另外，大量的计算过程或者上千万个网格节点也会超出计算机内存的允许计算量，导致计算机瘫痪，无法计算。目前国内外尚缺少有效的大集群埋管地热换热器传热简化分析和计算方法

发明内容

本发明的目的是提供一种简化分析计算方法，能够在保证足够准确性的前提下，使大集群埋管地热换热器传热分析计算工作量显著降低。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

一种集群竖埋管地热换热器传热简化分析方法，包括以下步骤：

1)通过分析埋管区域地下温度场变化规律，按各埋管周围温度场变化的相似性划分特征区域；

2)针对各特征区域，利用温度变化的周期性和对称性，将该区域内埋管周围温度场变化一致的埋管群用一个或数个埋管代替，作为代表性埋管；

3)将各特征区域代表性埋管重新组合形成新的集群竖埋管地热换热器-代表性集群竖埋管地热换热器；

4)针对代表性集群竖埋管地热换热器进行传热分析计算，计算结束后，利用埋管换热量和岩土温度场变化的周期性和对称性将计算结果还原至实际集群竖埋管地热换热器。或者，利用代表性集群竖埋管地热换热器得到的计算结果应用至地质条件、钻孔直径、回填材料、埋管深度、埋管间距、单个埋管承担负荷等条件相同，且埋管行数不少于集群竖埋管地热换热器行数，以及列数不少于集群竖埋管地热换热器列数的任意集群竖埋管地热换热器。

由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：

能够在保证足够准确性的前提下，使集群埋管地热换热器，特别是大集群埋管地热换热器传热分析计算工作量显著降低。

附图说明

图1为集群埋管地热换热器埋管布置及周边土壤温度场分布示意图；

图2为标出拟忽略计算区域的集群埋管地热换热器埋管布置及周边土壤温度场分布示意图；

图3为简化后的代表性集群竖埋管地热换热器埋管布置及周边土壤温度场分布示意图。

图4为集群埋管地热换热器埋管布置及周边土壤温度场分布示意图。

图中：1、埋管2、特征分区划分线3、一个特征分区

4、拟忽略计算区域

具体实施方式

以下实施用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1～4，

图1所示为一个呈8×8矩阵排列的64个竖埋管(深100米)的地热换热器经过16年运行后，地下50米水平方向温度场分布。图1显示埋管区域的温度场变化呈明显的周期性变化。根据各埋管周围温度场相似性，可将地热换热器划分为9个特征分区(图1中用虚线予以分割)。

除了四个角区域，其余5个区域埋管周围温度场分布均呈一定周期性变化，根据温度场对称面可视为绝热面的特性，各特征区域可选择部分埋管代表本特征区域，其余埋管可以忽略而不参与计算。忽略计算的埋管区域见图2中阴影区域4，从而可将图1所示的集群竖埋管地热换热器简化为图3所示的6×6矩阵排列的36个竖埋管构成的地热换热器，可使计算涉及埋管数量显著降低，从而显著减少传热分析计算工作量。计算结束后，根据图3所示埋管群计算结果，利用埋管周围温度场的周期性变化特性，将图3中除四个角区域的其他特征分区埋管周围温度场计算结果进行周期性扩展，可还原至8×8矩阵排列的64个竖埋管，见图1。

将对于运行时间不超过16年，其它运行条件相同的情况，只要竖埋管地热换热器行和列均不少于6个埋管，均可利用图3所示地热换热器进行简化计算，并将计算的结果利用埋管周围温度场的周期性变化推广还原至集群埋管。图4所示为根据图3所示埋管群计算结果，利用埋管周围温度场的周期性变化特性，将图3中除四个角区域的其他特征分区埋管周围温度场计算结果进行周期性扩展，推广应用至埋管数量为10×12矩阵排列集群竖埋管地热换热器，得到的运行16年时各埋管周边土壤温度场分布示意图。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。