[發(fā)明專利]一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911074163.3
• 申請日: 2019-11-06
• 公開（公告）號: CN110826225B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昌龍;黃志甲;錢付平;魯進(jìn)利;魯月紅;孫彥紅
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01K13/00;G06F119/08
• 代理公司: 安徽知問律師事務(wù)所 34134
• 代理人: 平靜

本發(fā)明公開了一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法，涉及地源熱泵技術(shù)領(lǐng)域，首先將U型地埋管換熱器鉆孔等效成兩個(gè)對稱的半圓柱，其進(jìn)口側(cè)的半圓柱包括進(jìn)口側(cè)流體、等效進(jìn)口半管和進(jìn)口側(cè)回填土，而出口側(cè)的半圓柱包括出口側(cè)流體、等效出口半管和出口側(cè)回填土；然后將這兩個(gè)半圓柱近似為徑向和軸向的二維傳熱，而鉆孔外部土壤近似為徑向一維傳熱，對此建立數(shù)值傳熱模型；最后將鉆孔劃分為網(wǎng)格，結(jié)合數(shù)值傳熱模型計(jì)算鉆孔內(nèi)、外各個(gè)時(shí)刻的溫度場。本發(fā)明對鉆孔內(nèi)、外分別采用二維和一維傳熱模型，既滿足了對各位置溫度的準(zhǔn)確計(jì)算，又使得網(wǎng)格劃分簡單、計(jì)算時(shí)間短。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地源熱泵技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法，用于分析豎直單U型地埋管鉆孔內(nèi)及鉆孔外的溫度場。

背景技術(shù)

豎直單U型地埋管換熱器應(yīng)用較廣，是常用的地源熱泵系統(tǒng)中的重要組成部分。對豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析，是巖土熱物性測試和地埋管設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，因而成為地源熱泵領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，分析豎直單U型地埋管換熱器溫度場的傳熱模型包括無限長線熱源模型、有限長線熱源模型、無限長柱熱源模型、瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)換熱模型、一維數(shù)值傳熱模型、二維數(shù)值傳熱模型和三維數(shù)值傳熱模型等。

然而，無限長線熱源模型、有限長線熱源模型與無限長柱熱源模型都忽略了鉆孔熱容，而瞬態(tài)準(zhǔn)三維全周期響應(yīng)換熱模型忽略了流體熱容，因此在計(jì)算短時(shí)間內(nèi)的溫度場時(shí)有一定的誤差。一維數(shù)值傳熱模型具有網(wǎng)格劃分簡單、計(jì)算時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但是沒有考慮軸向上的傳熱，因而不能分析軸向上的溫度差異。二維數(shù)值傳熱模型與三維數(shù)值傳熱模型的精度較高，然而存在網(wǎng)格劃分復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間較長等缺點(diǎn)。

2015年9月，《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》第31卷第17期第248-253頁，李曉星、胡夏閩和張正威公開了一篇名為“豎直埋管換熱器熱響應(yīng)半徑計(jì)算方法”的文章，該文章利用無限長線熱源傳熱計(jì)算模型，討論了介質(zhì)內(nèi)過余溫度場的分布特性，結(jié)果表明：介質(zhì)內(nèi)溫度響應(yīng)在孔壁處最大，隨離孔壁距離的增加呈指數(shù)衰減，隨時(shí)間的增加而增大；熱傳播區(qū)域隨時(shí)間的增加而增大，隨介質(zhì)的熱擴(kuò)散系數(shù)的增加而增大。

2019年2月，《區(qū)域供熱》第2期第138-141頁，劉斯佳、楊曉宇和張山公開了一篇名為“豎直埋管地源熱泵地下溫度場分析”的文章，該文章利用有限長線熱源模型，通過編程模擬計(jì)算得到地埋管換熱器運(yùn)行20年后地下溫度場的變化情況。主要研究冬夏季負(fù)荷不平衡時(shí)換熱區(qū)域土壤溫度的變化，并對以下情況：土壤導(dǎo)熱系數(shù)、土壤體積比熱、冬夏季負(fù)荷比不同等進(jìn)行分析，得到結(jié)論：當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)或體積比熱較大，冬夏季負(fù)荷比較小時(shí)，對抑制地下熱/冷量累積效應(yīng)可起到一定作用。

2019年6月，《制冷學(xué)報(bào)》第40卷第3期第132-139頁，李永、茅靳豐和張小松公開了一篇名為“基于巖土軸向分層垂直地埋管換熱模型分析”的文章，該文章通過對南京某一地埋管換熱器現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，分析了巖土分層和地下水流動(dòng)特性，建立了地埋管換熱器巖土軸向分層數(shù)值模型，并進(jìn)行驗(yàn)證分析。對比分析軸向數(shù)值模型與傳統(tǒng)的有限長純導(dǎo)熱模型(FLS)和滲流有限長線熱源模型MFLS均勻介質(zhì)模型，結(jié)果表明：連續(xù)加熱60d后軸向分層模型的埋管出水溫度比FLS模型低約0.5℃，比MFLS模型高0.3℃，且軸向分層模型不同深處溫度響應(yīng)差別較大。并對不同距離不同加熱時(shí)間下，埋管軸向溫度的分布特性進(jìn)行了研究探討。

然而，上述三篇文獻(xiàn)都將鉆孔內(nèi)回填土及U型管中的傳熱近似為穩(wěn)態(tài)傳熱，因而所計(jì)算的溫度場具有一定的誤差，現(xiàn)有的豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法均存在一些不足。

發(fā)明內(nèi)容

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法中，存在分析方法復(fù)雜、分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題，提出了一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法，本發(fā)明將U型地埋管換熱器簡化，采用一維、二維傳熱模型結(jié)合的方法對換熱器的溫度場進(jìn)行計(jì)算，減少了計(jì)算時(shí)間，增加了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.技術(shù)方案