一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法技术

本发明专利技术属于地源热泵技术领域，公开了一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法，包括构建地下换热器一维有限元传热模型并进行地下换热器的模拟计算，其中模拟计算的方法包括步骤一：输入地下换热器热负荷；步骤二：判断负荷是否为零：若是，则采用一维有限元数值模型计算土壤温度，然后进入步骤六；若否，则进入步骤三；步骤三：采用一维有限元数值模型计算土壤温度；步骤四：计算孔内热阻；步骤五：计算进出口水温；步骤六：利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。该地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法直接基于建筑逐时负荷进行逐时模拟计算，计算准确性和计算效率都可保证。

A Finite Element Hourly Simulation Method for U-tube Underground Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump

【技术实现步骤摘要】
一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法
本专利技术属于地源热泵
，具体涉及一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法。
技术介绍
地源热泵被认为是一种利用浅层可再生地热能的空调形式，具有高效、节能、环保的优势，在国内外得到广泛应用。地源热泵系统包含以下几大部分：(1)末端空气处理设备及风机；(2)负荷侧水泵，负责把热泵机组产生的冷热水输配到末端设备处；(3)热泵机组，实现制冷制热。包含蒸发器、冷凝器、压缩机以及膨胀装置四大部件以及其他辅助、控制部件；(5)源侧水泵，负责在热泵及地下换热器之间实现水循环；(6)地下换热器，夏天把房间热量转移到地下，冬天从土壤吸取热量供给房间采暖。地源热泵空调区别于常规空调的部件在于地下换热器，其设计合理与否是地源热泵工程成功与否的关键。评判地下换热器合理与否的关键是对其传热进模拟计算。地下换热器结构尺寸大，传热具有非稳态、时间跨度大等特征，因此其传热计算与普通系统计算有以下差别：(1)须进行1年甚至30年的动态计算；(2)除了准确，计算速度需满足工程设计的进度要求。由于建筑负荷逐时变化，地下换热器进行逐时模拟计算是最符合实际的方法。国内“地热之星”则采用了近似解析模型，但为了保证计算速度，它没有进行逐时计算，而是以建筑月均负荷及峰值负荷为基础进行计算。现有三维数值传热模拟软件可以用于地源热泵地下换热器逐时非稳态模拟，但是计算代价太大，工程设计计算则不够实用。考虑工程实际情况，地源热泵方案的模拟最好直接基于建筑逐时负荷，并且计算效率要高，以便快速得到结果对设计方案进行评估。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法，包括以下步骤：(1)构建地下换热器一维有限元传热模型：地下换热器采用柱坐标下的径向一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界；从所述换热孔壁到所述换热孔远边界均匀布置节点及划分有限单元，每个所述有限单元内部采用线性温度分布假设；采用伽辽金方法建立离散方程；(2)地下换热器的模拟计算：步骤一：输入地下换热器热负荷；步骤二：判断负荷是否为零：若是，则采用一维有限元数值模型计算土壤温度，然后进入步骤六；若否，则进入步骤三；步骤三：采用一维有限元数值模型计算土壤温度；步骤四：计算孔内热阻；步骤五：计算进出口水温；步骤六：利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。进一步的，所述离散方程为([C]+Δτ[K]){Tj+1}＝[C]{Tj}+Δτ{fj+1}；其中，C矩阵为：式中：i和j为每个所述有限单元的节点；cp—土壤比热容，J/(kg·℃)；ρ—土壤密度，kg/m3；λs—土壤导热系数，W/(K·m)；l为有限单元长度，m；Ae＝(2πri+2πrj)/2为单元格的计算传热面积，m2；ri为第i节点的半径，m；rj为第j节点的半径，m。K矩阵为：f矩阵为：其中：式中：m—管内循环水质量流量，kg/s；Cp—循环水比热容，J/(kg·℃)；L—钻孔深度，m；Tin—管内进口水温，℃；Tout—管内出口水温，℃；qw—热流密度，W/m2；rb—钻孔半径，m；ql为单位深度钻孔的热负荷，W/m；Δτ为时间步长，s。与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有如下有益效果或优点：本专利技术所提供的地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法直接基于建筑逐时负荷进行逐时模拟计算，不仅能够提高计算的准确性，而且能够保障计算效率，节约计算时间。参照后文的说明和附图，详细公开了本专利技术的特定实施方式，指明了本专利技术的原理可以被采用的方式。应该理解，本专利技术的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本专利技术的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明图1是本专利技术地下换热器传热计算算法的流程图；图2是本专利技术采用的地下换热器示意图；图3是本专利技术采用的地下换热器有限单元格示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本专利技术实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该专利技术产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该专利技术产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义型实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。此外，还需要说明的是，本专利技术实施例的描述中，除特殊表明有型号的装置，其余的装置均为本领域的现有常规装置，如“水泵”“可加热水箱”等，本领域的技术人员可以根据实际情况采用对应现有装置，在此不再赘述。本专利技术实施例提供了一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法，包括以下步骤：第一步：构建地下换热器一维有限元传热模型：地下换热器采用柱坐标下的径向一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界；从所述换热孔壁到所述换热孔远边界均匀布置节点及划分有限单元，如图2和图3所示，每个有限单元e的节点为i和j，每个有限单元e内部采用线性温度分布假设；采用伽辽金方法建立离散方程。其中，采用伽辽金方法建立的所述离散方程具体如下：([C]+Δτ[K]){T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建地下换热器一维有限元传热模型：地下换热器采用柱坐标下的径向一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界；从所述换热孔壁到所述换热孔远边界均匀布置节点及划分有限单元，每个所述有限单元内部采用线性温度分布假设；采用伽辽金方法建立离散方程；(2)地下换热器的模拟计算：步骤一：输入地下换热器热负荷；步骤二：判断负荷是否为零：若是，则采用一维有限元数值模型计算土壤温度，然后进入步骤六；若否，则进入步骤三；步骤三：采用一维有限元数值模型计算土壤温度；步骤四：计算孔内热阻；步骤五：计算进出口水温；步骤六：利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。

【技术特征摘要】
1.一种地源热泵U形管地下换热器的有限元逐时模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建地下换热器一维有限元传热模型：地下换热器采用柱坐标下的径向一维数值模型：模型中换热孔壁设置为变热流边界；换热孔远边界设置为绝热边界；从所述换热孔壁到所述换热孔远边界均匀布置节点及划分有限单元，每个所述有限单元内部采用线性温度分布假设；采用伽辽金方法建立离散方程；(2)地下换热器的模拟计算：步骤一：输入地下换热器热负荷；步骤二：判断负荷是否为零：若是，则采用一维有限元数值模型计算土壤温度，然后进入步骤六；若否，则进入步骤三；步骤三：采用一维有限元数值模型计算土壤温度；步骤四：计算孔内热阻；步骤五：计算进出口水温；步骤六：利用计算出的土壤温度更新土壤初始温度，为下一时步的计算做准备。2.根据权利要求1所述的地源...

【专利技术属性】
技术研发人员：施恂根，苏华，钟吕斌，付博，周刚，何强，吕晶日，
申请(专利权)人：四川志德节能环保科技有限公司，西华大学，
类型：发明
国别省市：四川,51