桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法技术

本发明专利技术公开了一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，根据地下水以三维速度在无限大均匀介质流动时点热源在介质中产生的温度响应，得到地下水三维渗流条件下单个桩基螺旋埋管在地下介质中产生的温度响应计算方法。当地下水以三维速度流经桩埋管群体时，地下介质中任意一点在任意时刻产生的温度响是地下水渗流与桩埋管群体换热的作用叠加，可获得温度响应的计算公式。而且，将反向推理计算法用于获得地下水渗流速度的过程中，设定地下水流速大小和方向的范围，从中不断抽取数值，在钻孔周围布置点，对所有点在一定时间阶段内求计算值与实验值的方差和，当多数点的方差和达到最小时，得到地下水实际的流速大小和方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑环境与能源应用专业工程
，具体涉及一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法。
技术介绍
地源热泵技术以地下介质为冷热源，夏季和冬季分别向地下排热和从地下吸热。地下介质的温度全年波动较小，是一种理想的冷热源，因此该类型热泵具有节能及环保的优势，属于可再生能源空调系统，受到了广泛应用。地热换热器部分是地源热泵系统区别于其他类型热泵系统的主要标志，目前常采用钻孔并埋设U型换热管的方式，但由此造成了初投资过高和需要一定量地面面积布置钻孔，这两大缺点成为制约地源热泵发展的主要障碍。随着人们对地热换热器研究的不断发展，建筑物的承载构件即桩基，被考虑用来埋设换热管，由此产生了一种新颖地热换热器，称之为“桩埋管换热器”。桩基的直径要远大于钻孔的直径，且内部通常布置螺旋管而非U型管，故每米桩埋管的换热能力要明显强于钻孔埋管。因建筑物的桩基数量有限，整个系统的地热换热器可由能量桩和钻孔埋管共同组成，能量桩最大程度的承担部分冷热负荷，余下的负荷由钻孔埋管负责，因此钻孔的花费大大降低，且布置钻孔的地面面积也会减少。由于桩基的长度超过十米甚至达到几十米，地下水的渗流现象不可忽视，尤其是水力梯度较大或地下水资源丰富的地区，渗流的影响更要引起重视。当地下水流经能量桩时，桩基和周围地下介质的传热模式将由单一的纯导热转变为含有导热和对流的复合换热。地下水的流动缓解了桩基周围的热积累，改善了桩埋管的传热性能，提高了每米桩埋管的换热量。桩埋管在传热过程中，周围介质受其影响温度不断变化，当地下水渗流现象出现时，地下介质的温度响应程度受地下水的影响被减缓，意味着地下水降低了桩埋管的传热对地下空间的影响。目前，对桩埋管在地下水渗流条件下的研究较少，尚未有计算地下水在地下空间内以三维速度进行渗流时地下介质温度响应的方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，本专利技术所提出的这一计算方法，有利于掌握地下介质的温度变化以及地下温度场的分布情况，使人们能够深入认识地下水渗流对桩埋管换热的影响。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，包括以下步骤：(1)在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，确认处于介质中的以一定强度散热的点热源在介质中任意一点处引起的温度响应；(2)构建地下水以三维速度流经单个桩埋管时的温度响应传热模型，获得当具有一定螺旋间距、螺旋半径和长度的换热管埋设于桩基中形成桩基螺旋埋管地热换热器后的半无限大介质中除螺旋管外任意一点的温度响应；(3)在钻孔埋管换热器周围布置测点进行温度响应测试，并利用有限长线热源渗流模型，反向推算地下水的流速，结合构建的响应模型，计算温度响应结果。所述步骤(1)中，根据点热源在无限大介质中以纯导热方式产生温度响应的格林函数，对格林函数加以改变，得到地下水以三维流动的方式流经地下介质时点热源引起的温度响应。所述步骤(1)中，在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，地下介质分布均匀且其孔隙率一致，根据孔隙率、地下固态介质的体积比热容、地下水的体积比热容、地下固态介质和地下水的导热系数计算某段时刻内位于(x’,y,’z’)的点热源在无限大空间中任意一点(x,y,z)引起的温度响应。所述步骤(2)中，螺旋换热管布置于桩基后，地下水以三维的流速流经单个桩埋管时，综合考虑导热和对流的影响，建立能量方程，列出所对应的初始和边界条件；将地面的恒温对有限长桩基螺旋埋管的影响加以考虑，并考虑了螺旋管和桩基的各个参数在换热过程中的影响。所述步骤(2)中，利用虚拟热源法，即认为在地下介质中存在恒定发热的螺旋管，在以地面为对称面的虚拟的另一半无限大介质中，有恒定吸热的螺旋管，即同时存在着螺旋线热源和螺旋线热汇，得到了有限长的桩基螺旋埋管地热换热器在三维地下水渗流条件下对地下介质产生的温度响应表达式后，即可计算出三维地下水流经单个桩基螺旋埋管时，地下介质中除换热管外任意一点在任意时刻的温度响应。所述步骤(2)中，根据单个桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下，在地下空间内除螺旋管外任意点(x,y,z)所引起的温度响应，考虑若干个桩基埋管在该点引起的温度响应的叠加，结合桩埋管之间的间距、排列方式，从而确定桩埋管群体在该点引起的温度响应。所述步骤(3)中，具体过程包括：(3-1)沿钻孔埋管换热器周围及深度方向均匀布置测点，在测点处安装热电偶或热电阻。(3-2)设定好地下水流速和方向角的范围，从设定范围内抽取数据；(3-3)采用钻孔埋管的地下水渗流计算模型，计算钻孔周围布设的点的过余温度；(3-4)计算每个布置点的理论计算值与实际值的方差，判断是否有符合设定值个数的布设点的方差和达到最小值，如果是，则输出此时的地下水流速的大小和方向，如果不是，则继续从地下水流速大小和方向的范围内抽取数值进行迭代计算。所述步骤(3-1)中，在钻孔埋管换热器周围布置耐腐蚀的热电偶或热电阻，采用数据采集仪进行记录所布置点的温度随时间的变化。所述步骤(3-2)中，将流速大小和角度在各自的范围内不断抽取，代入有限长线热源渗流模型进行计算。所述步骤(3-3)中，利用钻孔埋管在地下水渗流条件下比较成熟的有限长线热源渗流模型，结合自步骤3-2中不断抽取来的地下水流速大小和方向，计算获得钻孔周围所布置点的温度响应值。所述步骤(3-4)中，使方差和对地下水流速的大小u和两个方向角α和β都取一阶导数，三个一阶导数都同时小于设定值时，认为一阶导数近似为零，此时，对于该点的方差和已达到最小。本专利技术的有益效果为：(1)桩基螺旋埋管作为地热换热器在与地下介质进行换热过程时，当地下水的渗流作用被考虑之后，地下介质中除换热管外的任意位置处在任何时刻的温度变化可以直接通过计算获得，而不必在现场埋设数量较多的热电阻或热电偶。通过获得一个桩基埋管在地下水渗流作用下的温度响应的计算方法，进而掌握在地下水渗流条件下若干个桩埋管引起的地下介质的温度变化；(2)地下水的渗流增强了地热换热器的换热能力，每米换热器的换热量得到增加，可以通过本专利技术的技术方案，揭示桩基螺旋埋管的换热量与地下水流速之间的关系，分析不同地下水流速对具有不同几何尺寸参数的桩基埋管的影响；(3)地下水的渗流作用，改善了整个地源热泵空调系统的经济性，这是由于地下水渗流使得桩基埋管承担的换热量增加，因而钻孔埋管承担的冷热负荷会减少，钻孔的投资费用会降低。采用桩埋管的主要目的是为了降低系统的初投资，进一步考虑渗流的影响，更是对桩埋管研究的进一步贡献；(4)为了配合本专利技术计算方法的应用，地下水的渗流速度必须要首先得出，通过提出反向推理计算法，可以不必通过直接测量而得知地下水流速。渗流速度通常较小，直接测量的困难较大，且地下环境复杂不易布置测量流速的仪器。因此获得地下水渗流速度也是本专利技术的一个重要意义；(5)地下介质中任意一点的温度响应，是具有一定排列形状的桩埋管群在地下水渗流条件下共同作用的结果，在同一点处和相同的渗流速度下，不同形状排列的管群所产生的作用并不相同，可以根据温度响应的计算方法，分析各个排列方式的管群在相同地下水渗流速度时，所产生的温度响应的区别，从中优化管群的排列方式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，确认处于介质中的以一定强度散热的点热源在介质中任意一点处引起的温度响应；(2)构建地下水以三维速度流经单个桩埋管时的响应模型，获得当具有一定螺旋间距、螺旋半径和长度的换热管埋设于桩基中形成桩基螺旋埋管地热换热器后的半无限大介质中除螺旋管外任意一点温度响应；(3)沿钻孔埋管周围和深度方向布置测点，记录温度响应数据，并结合有限长线热源渗流模型，反向推算地下水的流速，从而为桩埋管在地下水渗流条件下的计算方法提供地下水流速的参数。

【技术特征摘要】
1.一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，确认处于介质中的以一定强度散热的点热源在介质中任意一点处引起的温度响应；(2)构建地下水以三维速度流经单个桩埋管时的响应模型，获得当具有一定螺旋间距、螺旋半径和长度的换热管埋设于桩基中形成桩基螺旋埋管地热换热器后的半无限大介质中除螺旋管外任意一点温度响应；(3)沿钻孔埋管周围和深度方向布置测点，记录温度响应数据，并结合有限长线热源渗流模型，反向推算地下水的流速，从而为桩埋管在地下水渗流条件下的计算方法提供地下水流速的参数。2.如权利要求1所述的一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，根据点热源在无限大介质中以纯导热方式产生温度响应的格林函数，对格林函数加以改变，得到地下水以三维流动的方式流经地下介质时点热源引起的温度响应。3.如权利要求1所述的一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，在地下水以三维速度流经无限大均匀介质的前提下，地下介质分布均匀且其孔隙率一致，根据孔隙率、地下固态介质的体积比热容、地下水的体积比热容、地下固态介质和地下水的导热系数计算某段时刻内位于(x’,y,’z’)的点热源在无限大空间中任意一点(x,y,z)引起的温度响应。4.如权利要求1所述的一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：所述步骤(2)中，螺旋换热管布置于桩基后，地下水以三维的流速流经单个桩埋管时，综合考虑导热和对流的影响，建立能量方程，列出所对应的初始和边界条件；将地面的恒温对有限长桩基螺旋埋管的影响加以考虑，并考虑螺旋管和桩基的各个参数在换热过程中的影响。5.如权利要求1所述的一种桩基螺旋埋管在地下水渗流条件下的温度响应计算方法，其特征是：所述步骤(2)中，得到了有限长的桩基螺旋埋管地热换热器在三维地下水渗流条件下对地下介质产生的温度响应表达式后，即可计算出三维地下水流经单个桩基螺旋埋管时，地下介质中除换热管外任意一点在任意时刻的温度响应。6.如权利要求1所述的一种桩基螺旋埋管在地下水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文科，崔萍，满意，崔玉萍，方肇洪，
申请(专利权)人：山东中瑞新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37