CN111539130B - 中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中深层地埋管换热器钻孔深度的设计计算方法，在考虑地温梯度的基础上，建立数值换热模型，模拟地埋管传热过程，对地埋管钻孔深度进行设计计算。已知地埋管的结构参数及系统各部分的物性参数，满足设计热负荷对地埋管钻孔深度进行设计计算，在建筑寿命周期内，地埋管进口水温应满足在一定温度范围内。该方法在满足设计热负荷的基础上，精确的计算出钻孔设计深度值，避免因钻孔设计深度偏小而导致的地埋管内循环液温度降低，热泵机组能效比下降；同时避免因地埋管的钻孔深度过深而造成的钻孔成本浪费，为实际工程的钻孔设计计算提供了数据参考，在实际工程设计过程中，只需调整各项参数，便可通过计算得到钻孔设计深度值。

Description

中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法

技术领域

本发明地热能利用相关领域，具体涉及一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法。

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。地球内部热能不断地传输向地表，产生了大地热流，岩土温度随着深度的增加而增加。传统浅层地源热泵深度在80m-150m范围内，岩土温度变化小，温度梯度影响也相对较小，往往不予考虑。而中深层地源热泵具有埋管深，管底温度高的特点，地温梯度成为影响系统取热性能的重要因素，因此浅层换热器的计算模型不再适用。中深层地埋管换热器现存研究多立足于根据工程经验估算钻孔深度，继而对系统进行传热模拟、取热能力评估及运行能耗分析，针对已知设计热负荷对系统进行钻孔深度进行精确的设计计算这一问题尚未解决。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种考虑地温梯度的前提下，精确的计算出钻孔设计深度的计算方法，在实际工程设计过程中，输入各项参数，便可通过计算得到钻孔设计深度值，为实际工程的钻孔设计计算提供数据参考。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，包括参数设定和设计计算部分；

所述参数设定包括：设定地埋管结构参数和系统热物性参数以及系统运行参数；

所述设计计算部分具体步骤包括：

步骤一，依照经验预设钻孔设计深度的范围，取钻孔设计深度的下限H_L足够小，确保该下限的值必然低于所求钻孔设计深度的值；

步骤二，取上述范围的上限H_U、下限H_L分别作为计算的钻孔深度；

设定径向边界，将岩土和流体计算区域沿纵向和径向划分为若干计算网格，并计算岩土和流体计算区域初始温度场分布；

对流体在岩土中换热过程进行分析并列出控制方程，对控制方程进行离散并求解。得到计算区域内流体温度场和岩土温度场随时间的变化趋势，输出地埋管循环液进口温度；

步骤三，以地埋管循环液进口温度为判据，判断钻孔深度是否满足要求；若不满足要求，将重设钻孔深度，进入步骤一，继续下一轮计算；若满足要求则输出该钻孔深度值，即为钻孔设计深度。

作为本发明的进一步改进，参数设置具体包括：

地埋管结构参数包括钻孔直径，钻孔内管和外管直径，钻孔内管和外管壁厚；系统热物性参数包括管道导热系数和热容，流体对流换热系数和热容，岩土及回填材料的导热系数和热容，岩土温度梯度，地表空气温度和对流换热系数；系统运行参数包括地埋管设计热负荷，运行年限，时间步长，运行流量；

作为本发明的进一步改进，步骤二中岩土初始温度场分布为：

其中，t_a是地表空气的温度，单位℃；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；h_a是空气地表对流换热系数，单位w/(m²·k)；λ是岩土导热系数，单位w/(m·k)；H是岩土深度，单位m；z是沿纵深方向的z坐标。

作为本发明的进一步改进，步骤二中控制方程为：

其中，ρc为热容，单位J/(m³·k)；t为温度，单位℃；τ为时间，单位s；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；r为沿径向的r坐标。

作为本发明的进一步改进，步骤三中以地埋管循环液进口温度为判据的具体步骤为：

得到地埋管循环液进口温度随时间的变化值后取其运行周期内的最小值，对应于钻孔深度为H_U、H_L分别得到进口温度T_U和T_L，分别与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT_U和ΔT_L。

首先判断若ΔT_U·ΔT_L≤0，则所求钻孔设计深度在预设钻孔深度范围内；

判断H_U和H_L的差值，若二者差值的绝对值小于判断误差的小量，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；若二者差值的绝对值大于判断误差的小量，则取H_U和H_L的中间值H再次投入计算，得到进口温度T，与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT。

再次进行判断，若ΔT_U·ΔT≤0，表明所求钻孔设计深度在H_U和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_L；若ΔT_U·ΔT＞0，表明所求钻孔设计深度在H_L和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_U＝H；得到新的钻孔深度范围后，再次进行H_U和H_L的差值判断。以此类推，直到满足二者差值的绝对值小于判断误差的小量这一条件，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值。

若ΔT_U·ΔT_L＞0，表明在H_U和H_L的范围内，并没有满足要求的钻孔深度，由于预设钻孔深度下限H_L足够小，因此将H_U扩大一倍，再次进行计算，直至找到满足要求的钻孔设计深度。

所述小量为一绝对误差值，当H_L和H_U足够近，满足二者的差值的绝对值小于判断误差的小量这一条件，则计算结束，所得即为钻孔设计深度。

本发明基于传热学的基本理论，根据地上建筑的设计热负荷，地下埋管的参数，针对考虑地温梯度的中深层地埋管换热器系统，对地埋管内循环流体在岩土中的换热过程进行模拟，在满足设计热负荷的基础上，精确的计算出钻孔设计深度值，避免因钻孔设计深度偏小而导致的地埋管内循环液温度降低，热泵机组能效比下降；同时避免因地埋管的钻孔深度过深而造成的钻孔成本浪费，为实际工程的钻孔设计计算提供了数据参考，在实际工程设计过程中，只需调整各项参数，便可通过计算得到钻孔设计深度值。

附图说明

图1为中深层地埋管换热器系统运行过程示意图；

图2为本发明钻孔深度设计计算流程图；

其中，1.循环水泵；2.热泵机组；3.内管；4.外管；5.岩土层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1为中深层地埋管换热器系统运行过程示意图。地埋管由同轴的内管和外管组成，循环液在内外管内流动，管内循环液的流动方向为“外进内出”，即为从外管流入，经周边地下岩土层换热后，携带高温热能的循环液由内管流向热泵机组，向热泵机组散热并自身降温冷却，冷却后的循环液再次流入地埋管进行换热。

图2为针对中深层地埋管换热器系统进行钻孔深度设计计算的流程图。完成该计算共有两个步骤，分别为参数设定和设计计算部分；

所述参数设定包括：设定地埋管结构参数、系统热物性参数和系统运行参数；地埋管结构参数包括钻孔直径，钻孔内管和外管直径，钻孔内管和外管壁厚；系统热物性参数包括管道导热系数和热容，流体对流换热系数和热容，岩土及回填材料的导热系数和热容，岩土温度梯度，地表空气温度和对流换热系数；系统运行参数包括地埋管设计热负荷、运行年限、时间步长和运行流量；

所述设计计算部分具体步骤包括：

a、依照经验预设钻孔设计深度的初始范围，取钻孔设计深度的下限H_L足够小，确保该下限的值必然低于所求钻孔设计深度的值；

b、取上述初始范围的上限H_U和下限H_L分别作为计算的钻孔深度；

c、设定径向边界，将岩土和流体计算区域沿纵向和径向划分为若干计算网格，并计算岩土和流体计算区域初始温度场分布

其中，t_a是地表空气的温度，单位℃；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；h_a是空气地表对流换热系数，单位w/(m²·k)；λ是岩土导热系数，单位w/(m·k)；H是岩土深度，单位m；z是沿纵深方向的z坐标；

d、对流体在岩土中换热过程进行分析并列出控制方程，对控制方程进行离散并求解。

其中，ρc为热容，单位J/(m³·k)；t为温度，单位℃；τ为时间，单位s；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；r为沿径向的r坐标，

得到计算区域内流体温度场和岩土温度场随时间的变化趋势，输出地埋管循环液进口温度；

e、得到地埋管循环液进口温度随时间的变化值后取其运行周期内的最小值，对应于钻孔深度为H_U和H_L分别得到进口温度T_U和T_L，分别与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT_U和ΔT_L。

f、首先判断若ΔT_U·ΔT_L≤0，则所求钻孔设计深度在预设钻孔深度范围内；

判断H_U和H_L的差值，若二者差值的绝对值小于判断误差的小量，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；若二者差值的绝对值大于判断误差的小量，则取H_U和H_L的中间值H再次投入计算，得到进口温度T，与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT。

再次进行判断，若ΔT_U·ΔT≤0，表明所求钻孔设计深度在H_U和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_L；若ΔT_U·ΔT＞0，表明所求钻孔设计深度在H_L和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_U＝H；得到新的钻孔深度范围后，再次进行H_U和H_L的差值判断。以此类推，直到满足二者差值的绝对值小于判断误差的小量这一条件，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值。

g、若ΔT_U·ΔT_L＞0，表明在H_U和H_L的初始范围内，并没有满足要求的钻孔深度，由于预设钻孔深度下限H_L足够小，因此将H_U扩大一倍，再次进行计算，直至找到满足要求的钻孔设计深度。

以下，对本发明的实施例进行说明。

在本实施例中参数设置见表1。地埋管设计热负荷取为200kw。系统运行年限即建筑全寿命期取为30年，计算时间步长取为60s，运行流量取为8kg/s。

表1基本参数表

首先确定钻孔深度初始范围，取H_L＝800m，H_U＝2000m，H＝1400m。依次取钻孔深度分别为800m，2000m，1400m进行下列计算。

首先以H_L＝800m为钻孔深度，将钻孔及周边岩土层沿径向划分为50个网格，沿纵向划分为80个网格，将其划分为若干个单元体，对单元体的地下初始温度分布进行计算，并进行控制方程的离散，求解，可计算出计算区域内流体和周边岩土随时间的变化趋势，输出循环液进口温度随时间的变化趋势，得到循环液进口温度的最小值T_L＝-39.840℃。

再次计算钻孔深度H_U＝2000m时，得到循环液进口温度的最小值T_U＝6.664℃。取T_a＝5℃，得到ΔT_U＝1.664℃，ΔT_L＝-44.840℃

显然ΔT_U·ΔT_L≤0，此时判断H_U和H_L的差值的绝对值是否小于用于判断误差的小量，用于判断误差的小量取为eps＝10^-3，显然H_U-H_L>eps，再次计算H＝1400m时，得到循环液进口温度的最小值T＝-7.868℃，ΔT＝-12.868℃，ΔT_U·ΔT≤0，将H_U重新赋值为1400m，再次判断判断H_U和H_L的差值的绝对值是否小于用于判断误差的小量，仍然不是，系统将再次投入计算。以此类推，直至找到满足条件的钻孔设计深度为H＝1937.529m。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，包括参数设定和设计计算部分；

所述参数设定包括：设定地埋管结构参数和系统热物性参数以及系统运行参数；

所述设计计算部分具体步骤包括：

步骤一，依照经验预设钻孔设计深度的初始范围，取钻孔设计深度的下限H_L足够小，确保该下限的值必然低于所求钻孔设计深度的值；

步骤二，取上述范围的上限H_U和下限H_L分别作为计算的钻孔深度；

设定径向边界，将岩土和流体计算区域沿纵向和径向划分为若干计算网格，并计算岩土和流体计算区域初始温度场分布；

对流体在岩土中换热过程进行分析并列出控制方程，对控制方程进行离散并求解，得到计算区域内流体温度场和岩土温度场随时间的变化趋势，输出地埋管循环液进口温度；

步骤三，以地埋管循环液进口温度为判据，判断钻孔深度是否满足要求；若不满足要求，将重设钻孔深度，进入步骤一，继续下一轮计算；若满足要求则输出该钻孔深度值，即为钻孔设计深度。

2.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，参数设置具体包括：地埋管结构参数、系统热物性参数和系统运行参数；

所述地埋管结构参数包括钻孔直径、钻孔内管和外管直径及钻孔内管和外管壁厚；

所述系统热物性参数包括管道导热系数和热容、流体对流换热系数和热容、岩土及回填材料的导热系数和热容、岩土温度梯度及地表空气温度和对流换热系数；

所述系统运行参数包括地埋管设计热负荷、运行年限、时间步长及运行流量。

3.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤二中岩土初始温度场分布计算公式为：

其中，t_a是地表空气的温度，单位℃；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；ha是空气地表对流换热系数，单位W/(m²·k)；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；H是岩土深度，单位m；z是沿纵深方向的z坐标。

4.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤二中控制方程为：

其中，ρc是热容，单位J/(m³·k)；t为温度，单位℃；τ是时间，单位s；

是岩土温度梯度，为一常数，单位℃/m；λ是岩土导热系数，单位W/(m·k)；r为沿径向的r坐标。

5.如权利要求1所述的中深层地埋管地热换热器钻孔深度的设计计算方法，其特征是，所述步骤三中以地埋管循环液进口温度为判据的具体步骤为：

得到地埋管循环液进口温度随时间的变化值后取其运行周期内的最小值，对应于钻孔深度为H_U、H_L分别得到进口温度T_U和T_L，分别与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT_U和ΔT_L；

首先判断若ΔT_U·ΔT_L≤0，则所求钻孔设计深度在预设钻孔深度范围内；

判断H_U和H_L的差值，若二者差值的绝对值小于判断误差的小量，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；若二者差值的绝对值大于判断误差的小量，则取H_U和H_L的中间值H再次投入计算，得到进口温度T，与预先设定温度T_a进行比较,得到差值ΔT；

再次进行判断，若ΔT_U·ΔT≤0，表明所求钻孔设计深度在H_U和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_L；若ΔT_U·ΔT＞0，表明所求钻孔设计深度在H_L和H的范围内，此时缩小钻孔深度范围，取H_U＝H；得到新的钻孔深度范围后，再次进行H_U和H_L的差值判断，以此类推，直到满足二者差值的绝对值小于判断误差的小量这一条件，则输出H_U和H_L的中间值H为钻孔设计深度值；

若ΔT_U·ΔT_L＞0，表明在H_U和H_L的范围内，并没有满足要求的钻孔深度，由于预设钻孔深度下限H_L足够小，因此将H_U扩大一倍，再次进行计算，直至找到满足要求的钻孔设计深度。

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