本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計的高效計算方法，本發(fā)明專利技術(shù)將熱泵系統(tǒng)豎直地埋管換熱器的逐時吸排熱熱流表示為矩形脈沖熱流序列，通過引入單位矩形脈沖熱流作用下地下巖土無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)—函數(shù)的概念，獲得其積分區(qū)間為[0，]的函數(shù)，將鉆井參數(shù)帶入設(shè)計計算，保證計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，極大地減少了計算時間，為豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計提供了一種高效的計算方法。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及地源熱泵領(lǐng)域，特別是一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計的高效計算方法。
技術(shù)介紹
在地源熱泵中，豎直地理管 式地?zé)狁詈蠠岜孟到y(tǒng)因地下巖土溫度場穩(wěn)定、能源效率高而愈來愈被廣泛使用。它主要用在各類建筑的采暖空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)中。豎直地理管換熱器建造成本高，換熱器設(shè)計過大會導(dǎo)致初投資浪費、運行成本高；換熱器設(shè)計偏小則不能保證熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不能滿足系統(tǒng)吸排熱量的需求，降低系統(tǒng)運行效率。在設(shè)計地?zé)狁詈蠠岜孟到y(tǒng)時，豎直地理管換熱器的設(shè)計計算十分關(guān)鍵。熱泵系統(tǒng)運行期一般為10-30年。為了設(shè)計恰當(dāng)大小的豎直地理管換熱器，需要根據(jù)熱泵系統(tǒng)運行期內(nèi)逐時吸排熱量計算出豎直地理管換熱器管內(nèi)逐時流體溫度、地下巖土逐時瞬態(tài)溫度，以評估換熱器的大小是否能滿足熱泵系統(tǒng)在運行期內(nèi)的吸排熱量需求。豎直地理管換熱器的設(shè)計計算參數(shù)多，必須通過參數(shù)化設(shè)計才能設(shè)計出合適大小的地理管換熱器。目前大多采用g函數(shù)方法計算地理管換熱器在運行期內(nèi)的管內(nèi)逐時流體溫度、地下巖土逐時瞬態(tài)溫度。所謂g函數(shù)，就是單個垂直鉆井在單位熱流的作用下地埋管換熱器管壁溫度和地下巖土無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)。有了 g函數(shù)值和熱泵系統(tǒng)在運行期內(nèi)的逐時吸排熱量，通過鉆井疊加作用和時域卷積或頻域快速傅里葉變換(FFT)就可求得鉆井群在運行期內(nèi)換熱器管壁溫度和地下巖土瞬態(tài)溫度的逐時值。g函數(shù)可以是用數(shù)值方法計算出的數(shù)據(jù)表格；也可以是將單個鉆井看作有限線熱源、無限線熱源和圓柱熱源在單位熱流作用下?lián)Q熱器管壁溫度和地下巖土瞬態(tài)溫度響應(yīng)的解析解。不管是用數(shù)值方法還是用解析方法，計算g函數(shù)逐時值需要消耗大量時間。一般是先將不同鉆井參數(shù)的g函數(shù)計算出來，在設(shè)計計算時通過查表和插值方法獲得鉆井計算參數(shù)下的g函數(shù)值。時域卷積計算也是非常耗時的。于是有專家提出基于g函數(shù)的“負荷聚集法”(Load aggregation method)和傅里葉變換樣條法(FFT-s)等方法以降低計算時間。用有限線熱源模型解析式g函數(shù)設(shè)計計算地埋管換熱器，例如計算40個鉆井30年運行期的ー組參數(shù)，用時域卷積計算需要I天多的時間，用FFT計算也需要2個多小時(含計算g函數(shù)的時間)。鉆井群有許多組參數(shù)配置需要進行計算，用數(shù)據(jù)表格形式儲存g函數(shù)值需要一個很大的數(shù)據(jù)庫，而預(yù)先計算出的數(shù)據(jù)庫很難包含設(shè)計計算所涉及的全部參數(shù)的全部范圍。另ー方面，不管是查表和插值獲取g函數(shù)值，還是“負荷聚集法”(Load aggregation method)與傅里葉變換樣條法(FFT-s)等方法，都會帶來較大計算誤差。因此，用g函數(shù)及其衍生的計算方法難以實現(xiàn)豎直地理管換熱器的參數(shù)化設(shè)計。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種豎直地理管換熱器參數(shù)化設(shè)計的高效計算方法，保證計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，極大地減少計算時間。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計的高效計算方法，該方法包括以下步驟 1)根據(jù)豎直地埋管換熱器鉆井群可使用地面面積，初步選取ー組鉆井參數(shù)配置鉆井間距參數(shù)ガ，偏移距離も及鉆井?dāng)?shù)#，鉆孔半徑，鉆孔深度//，巖土導(dǎo)熱系數(shù)ん，巖土熱擴散系數(shù)》，需要設(shè)計計算的熱泵系統(tǒng)運行年數(shù)/ ; 2)將地源熱泵系統(tǒng)中需要由地埋管換熱器從地下提取或排入地下的I年中每個小時時刻的熱量除以(// Λ0后，表示為單位豎井長度逐時傳熱熱流的矩形脈沖序列 Q Kt2) ) Q ^3))…，Q ^876(1)」； 3)利用單個鉆井有限線熱源模型在単位階躍熱流作用下導(dǎo)出的地下任意深度Z(或ti)和半徑距離(T)無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)g函數(shù)的解析形式 CU、I/ 2JF0) erfc(r 2-4Fo),、=-JoL-—-—-—-} ζ⑴ 式中，r =^β2 + (τ -ξγ ； =/β2+(” + ξ)2 ；； β=τ!Η ；e.. WI ; Fo = S ,稱為傅里葉時間；為時間-，erfc(z)為余誤差函數(shù)， / てerfc(z) = I - -^Jo exp(-^i2)du ;求式⑴ダ函數(shù)對傅里葉時間變量/ 的偏導(dǎo)數(shù)，有rσ , dg(f、T},Fo) oFoexp(-ダ / 4Po)「へ P, \ — 7}、 ，, \ + 7},, , 7] =-(2) 4Fo24 Po2^jFo2λ/Ρο 得到地下任意深度和半徑距離^函數(shù)的另ー解析形式= J gfF&(β,Tj Fa)dFoο I AFo、2派 2#b2拆 4)用兩個大小相同、方向相反、時間相差Δτ的階躍熱流疊加得到矩形脈沖熱流，定義5函數(shù)為單個鉆井在単位矩形脈沖熱流作用下地下任意深度和半徑距離無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)，那么 a數(shù)解析形式為AS δ β,η,Po) = g{fi,η,Po)-g(fi,η,Po-Mo) = J 2^{β,η,Ρο-τ) τ O —『sp(-ダ M(^Fb-T))\-rj )丄糾——:t—ψΤ (4) i 4(Fb-t) L ハ.ψ - ハ 2#o-t. ハ 2#o —r'J、ノ式中，為傅里葉時間步長，Mh = Foi- Ky1 = ti-τ. α H2 ;Λτ為時間步長，在設(shè)計計算中取為I小時，那么，鉆井壁面中點溫度的<5函數(shù)為 4=J gk(4^ = 0-5^--r>fr Af 6ιΦ(-42/4^-γ))γο 0 " 0.5 、丄 “ 1.5 =! ^^[2^erf€K2jF^)+erM2j^)VT⑶ 鉆井壁面平均溫度的3函數(shù)為Λ ミ\ = f H V, Fo - τ) η4P1 exp(-&2/4(Fo- r))Γ. .I , χ , I . ,/Β, 、” / Ν= ~1 κ ^---— ζ (Ρλ I40 -γ) L ^ '2^(Fo-zY J \j(Fo-tY ■ /J、ノ式中，^4(2 — τ) = "2.-^tfο — T/； ' Fo — τAFo-τ 5)步驟I)中所選取鉆井中任一鉆孔孔壁的中點溫度和平均溫度的J函數(shù)分別為 M.A 灰}=音(A, - )+Σ 去(盡ぁ)(7) i-l E ifie，F(xiàn)。) = (K，F(xiàn)。) + γβ H F。)(8) i-l 地下巖土初始溫度為ァ0,在矩形脈沖熱流序列的作用下，單鉆井地下任意深度和半徑距離的相對瞬態(tài)溫度為 5(γ,ζ,^·) == 2 ^(Tj)(5CA 5^_j+1)(9) 當(dāng)〃=4時，為鉆井壁面溫度，鉆孔壁面相對瞬態(tài)中點溫度和平均溫度為= 2Jrt3 = 2 q(ri)-&^e, Fo}-_i+l)(10)9e(Jj) = ITik5 = 2 q(Ti)SifierFoj^l)(11) 6)由相對瞬態(tài)溫度得到地下巖土各時刻的溫度或鉆孔壁面各時刻的溫度，用流體平均溫度方法計算單U型和雙U型管的鉆孔內(nèi)熱阻慫，那么地理管換熱器各時刻的管內(nèi)流體溫度內(nèi))計算如下 Tf(S):分內(nèi)爲(wèi) + ,Tj) = qirj)P^ +τγτ"母 C1}.)+Ta(12)或 if ( .J =破 ζ*')^ +1= q(Jj)^ + )"母( .) +ァ0(13) 由流體溫度和熱泵的性能比，算出熱泵系統(tǒng)的耗能量；7)對于不同的鉆井參數(shù)組合，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種豎直地埋管換熱器參數(shù)化設(shè)計的高效計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：1）根據(jù)豎直地埋管換熱器鉆井群可使用地面面積，初步選取一組鉆井參數(shù)配置：鉆井間距參數(shù)D,？偏移距離x，及鉆井?dāng)?shù)N,？鉆孔半徑rb，鉆孔深度H，巖土導(dǎo)熱系數(shù)ks，巖土熱擴散系數(shù)？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？，需要設(shè)計計算的熱泵系統(tǒng)運行年數(shù)n；2）將地源熱泵系統(tǒng)中需要由地埋管換熱器從地下提取或排入地下的1年中每個小時時刻的熱量除以(H??N)后,？表示為單位豎井長度逐時傳熱熱流的矩形脈沖序列[(q(t1),？q(t2),？q(t3),？…,？q(t8760)]；3）利用單個鉆井有限線熱源模型在單位階躍熱流作用下導(dǎo)出的地下任意深度z？或h和半徑距離r無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)g函數(shù)的解析形式：？？？？？？？？？？？？(1)式中，；；；；；，稱為傅里葉時間；為時間；erfc(z)為余誤差函數(shù)，；求式(1)？g函數(shù)對傅里葉時間變量Fo的偏導(dǎo)數(shù)，有？？？？？？？？？(2)得到地下任意深度和半徑距離g函數(shù)的另一解析形式：？？？？？？(3)4）用兩個大小相同、方向相反、時間相差的階躍熱流疊加得到矩形脈沖熱流，定義函數(shù)為單個鉆井在單位矩形脈沖熱流作用下地下任意深度和半徑距離無量綱瞬態(tài)溫度響應(yīng)，那么，函數(shù)解析形式為：？？(4)式中，為傅里葉時間步長,？；為時間步長，在設(shè)計計算中取為1小時，那么，鉆井壁面中點溫度的函數(shù)為:？？？？？？？(5)鉆井壁面平均溫度的函數(shù)為:？？？(6)式中，；5）步驟1）中所選取鉆井中任一鉆孔孔壁的中點溫度和平均溫度的函數(shù)分別為：？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(7)？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(8)地下巖土初始溫度為，在矩形脈沖熱流序列[(q(t1),？q(t2),？q(t3),？…]的作用下，單鉆井地下任意深度和半徑距離的相對瞬態(tài)溫度為：？？？？？？？？？？？？？？(9)當(dāng)時，為鉆井壁面溫度，鉆孔壁面相對瞬態(tài)中點溫度和平均溫度為：？？？？？？？？？？？？？？？？？？(10)？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(11)6）由相對瞬態(tài)溫度得到地下巖土各時刻的溫度或鉆孔壁面各時刻的溫度，用流體平均溫度方法計算單U型和雙U型管的鉆孔內(nèi)熱阻Rb，那么地埋管換熱器各時刻的管內(nèi)流體溫度計算如下：？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(12)或？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(13)由流體溫度和熱泵的性能比，算出熱泵系統(tǒng)的耗能量；7）對于不同的鉆井參數(shù)組合，重復(fù)上述計算步驟，計算出各組參數(shù)的鉆井總長度、鉆井壁面溫度和管內(nèi)流體溫度。2012103571778100001dest_path_image002.jpg,2012103571778100001dest_path_image004.jpg,2012103571778100001dest_path_image006.jpg,2012103571778100001dest_path_image008.jpg,2012103571778100001dest_path_image010.jpg,2012103571778100001dest_path_image012.jpg,2012103571778100001dest_path_image014.jpg,2012103571778100001dest_path_image016.jpg,2012103571778100001dest_path_image018.jpg,2012103571778100001dest_path_image020.jpg,2012103571778100001dest_path_image022.jpg,2012103571778100001dest_path_image024.jpg,dest_path_image026.jpg,dest_path_image028.jpg,dest_path_image030.jpg,dest_path_image032.jpg,805874dest_path_image032.jpg,dest_path_image034.jpg,dest_path_image036.jpg,dest_path_image038.jpg,dest_path_image040.jpg,785331dest_path_image030.jpg,378118dest_path_image0...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳友明，張訓(xùn)水，杜次元，魏鵬飛，
申請(專利權(quán))人：湖南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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