[發明專利]一種基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法及系統

在審

• 申請號: 202010894737.8
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112016214A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 張旭;職承強;周翔;鄭曉薇;涂書陽;楊秀琴;蘇醒;葉蔚
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/11;G06F119/08;G06F111/10
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 程江濤

本發明公開了一種基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法及系統。所述基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法包括：獲取各土壤層當前時刻的供水管內流體介質平均溫度、各土壤層上一時刻的回填區計算節點溫度和各區域環上一時刻的巖土體計算節點溫度；計算當前時刻的傳熱熱阻；由各土壤層當前時刻的供水管內流體介質平均溫度、各土壤層上一時刻的回填區計算節點溫度、各區域環上一時刻的巖土體計算節點溫度和當前時刻的傳熱熱阻，計算各土壤層當前時刻的節點溫度和各區域環當前時刻的巖土體計算節點平均溫度。本發明能提高土壤源熱泵系統的可靠性，從而最大限度地實現高效穩定的運行。

技術領域

本發明涉及地埋管換熱器領域，特別是涉及一種基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法及系統。

背景技術

土壤源熱泵系統以土壤作為熱源或熱匯，利用地埋管換熱器在冬季把土壤中的熱量取出供給室內采暖，夏季把室內的熱量轉移到土壤中對室內進行降溫。地埋管換熱器的設計是否合理極大程度上決定了土壤源熱泵系統的經濟性與運行的高效性。因此地埋管換熱器的設計計算必然地成為土壤源熱泵系統設計中最重要的一環。對于工程設計，一種快速、準確的設計方法是目前所欠缺的。

現有的豎直地埋管換熱器的設計計算方法可分為四類：第一類是以熱阻概念為基礎的半經驗性公式計算方法，根據冷、熱負荷估算地埋管換熱器所需的埋管長度，此方法未考慮系統長期運行時地層熱阻的變化；第二類是以數值模擬為基礎的傳熱計算方法，運用有限元或有限差分法求解地下土壤的溫度響應并進行傳熱分析計算，但此類方法耗費大量的計算資源和時間；第三類是基于疊加原理和解析解的軟件設計計算方法，更適用于系統設計的參數優化問題；第四類是工程設計中常用的單位延米換熱量法，以熱響應測試所得的單位延米換熱量估算出地埋管長度，此方法夸大了地埋管的實際換熱能力，導致地埋管的設計長度不足。

現有的豎直地埋管換熱器的設計計算方法中，以數值模擬為基礎的傳熱計算方法，運用有限元或有限差分法求解地下的溫度響應并進行傳熱分析，耗費大量的計算機資源和計算時間，在目前還只適用于研究工作中的參數分析，而不適用于實際的工程設計及工程模擬；基于疊加原理和解析解的軟件設計計算方法，在求得單個鉆孔每一個傳熱環節的熱阻解析式的基礎上，利用疊加原理處理多孔幾何布置問題和建筑全年動態負荷問題，更適用于系統設計的參數優化問題，無法分析巖土體的溫度分布；單位延米換熱量法以冬季土壤取熱負荷除以熱響應測試所得的單位延米換熱量，考慮空調系統同時使用系數和機組制熱性能系數等因素后得到地埋管設計長度，只能反映出系統運行初期鉆孔內熱阻條件下的傳熱能力，但在實際運行時地層熱阻將不斷增加，使土壤換熱能力下降，達不到系統可靠性要求并嚴重影響室內環境。

目前國內外使用的地埋管換熱器設計方法是基于熱阻概念的半經驗公式方法，無法合理反映土壤源熱泵系統實際運行時近壁處土壤的蓄放熱特性，造成系統運行時的地埋管換熱量小于熱泵機組所需的換熱量，使得熱泵機組出力小于建筑實時冷熱負荷需求，達不到系統可靠性要求并嚴重影響室內環境。

發明內容

基于此，有必要提供一種基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法及系統，建立準確、合理、有效的非穩態傳熱計算模型，以提高土壤源熱泵系統的可靠性，從而最大限度地實現高效穩定的運行。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種基于阻容模型的地埋管換熱器傳熱計算方法，包括：

獲取各土壤層當前時刻的供水管內流體介質平均溫度、各土壤層上一時刻的回填區計算節點溫度和各區域環上一時刻的巖土體計算節點溫度；所述回填區計算節點溫度包括供水管側貼壁回填區平均溫度、回水管側貼壁回填區平均溫度、供水管側回填區平均溫度和回水管側回填區平均溫度；

計算當前時刻的傳熱熱阻；所述傳熱熱阻包括流體介質與貼壁回填區之間的傳熱熱阻、貼壁回填區與鉆孔壁間的導熱熱阻和巖土體計算節點的導熱熱阻；