【技术实现步骤摘要】
快速准确实现垂直U型地埋管换热器性能动态仿真的方法
本专利技术涉及一种快速准确实现垂直U型地埋管换热器性能动态仿真的方法，属于地源热泵
技术介绍
地源热泵技术的重点是设计出高效的地埋管换热器，地埋管换热器直接影响了整个系统的效率。热量在地埋管换热器与土壤间的传递过程相当复杂，会受到许多因素的影响，比如土壤的热物性、钻孔深度、钻孔回填材料、流体进口流速、流体进口温度等等。垂直U形埋管换热器是浅层地热能利用的最关键设备，在以地热能为热源之一的多热源热泵系统中，要实现多热源热泵系统的一体化动态仿真，就要实时再现地上换热设备与地下换热器之间的能量交换过程。在以往的研究中，将地上换热设备需要从地下提取的热量作为热流密度，作用在地下换热器与土壤的耦合界面上，但往往地上换热设备需要从地下取热量与地下换热器能提供的热量是不一样的，并且，在动态仿真过程中，建立地下埋管换热器模型的目的就是要获得地下换热器能为地上换热设备中的流体提供多少热量。在动态仿真计算中，地下换热器能提供的热量值是未知的。目前采用的手段是先假设U形...
【技术保护点】
1.一种快速准确实现垂直U型地埋管换热器性能动态仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：触发地下埋管换热器，包括运行和间歇两种过程；/nS2：输入地埋管换热器各物性参数及设计参数，物性参数包括：地下土壤导热系数、比热、密度，回填材料导热系数、比热、密度，U型管的导热系数和密度，U型管内流体的导热系数、比热、密度；设计参数包括：地下U型管长度，地下钻孔长度，地下钻孔个数，U型管内径；/nS3：对地埋管换热器所在区域进行网格划分；各物性参数、设计参数及网格参数之间的关系符合如下数学模型：/n
【技术特征摘要】
1.一种快速准确实现垂直U型地埋管换热器性能动态仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：触发地下埋管换热器，包括运行和间歇两种过程；
S2：输入地埋管换热器各物性参数及设计参数，物性参数包括：地下土壤导热系数、比热、密度，回填材料导热系数、比热、密度，U型管的导热系数和密度，U型管内流体的导热系数、比热、密度；设计参数包括：地下U型管长度，地下钻孔长度，地下钻孔个数，U型管内径；
S3：对地埋管换热器所在区域进行网格划分；各物性参数、设计参数及网格参数之间的关系符合如下数学模型：
其中，数学模型(1)为钻孔外沿径向和深度方向的二维非稳态传热模型；
数学模型(2)为钻孔内的一维传热模型；
式中，ρs为土壤的密度，kg/m3；cs为土壤的比热容，kJ/(kg·℃)；Ts为土壤的瞬时温度，℃；τ为进行的时间，s；r为到中轴线的距离，m；z为距离地面的深度，m；λs为土壤的导热系数，W/(m·℃)；S为内热源，在内部节点中，源项为0；
mg为在U形管中的质量流量，kg/s；cf为液体的比热容，kJ/(kg·℃)；Tgi,Tgo分别为微管段中液体的入口和出口处的温度，℃；kge为相当于U形管中从液体到钻孔外壁的传热系数，W/(m·℃)；为在U型管里的流体平均温度，℃；Tgbm为钻孔壁的平均温度，℃；Δz为微元管段长度，m；Age为等效管底面积，m2；dτ为时间长度，s；
S4：给定初始条件和边界条件：
U形埋管换热器数学模型的初始及边界条件：
(1)初始条件：
认为不同深度处土壤初始温度相同，如式(3.10)所示：
Tg(z,τ)＝Tbw(z,r,τ)＝Ts(z,r,τ)＝T0(τ＝0)(3.10)
(2)边界条件：
根据垂直U形埋管换热器地下传热物理过程，边界条件包括土壤远边界、U形管流体入口边界、钻孔壁与土壤接触边界和管内壁与流体接触边界；
①土壤远边界：
认为此处边界上的土壤温度值为原始温度，如式(3.11)所示：
Ts(z,r,τ)＝T0(r＝r∞,z＝Lb+r∞)(3.11)
②U形管流体入口边界：
当地源热泵供暖时，U形管入口流体温度即为热泵机组热源侧出水温度，如式(3.12a)所示；当太阳能向地下蓄热时，U形管入口流体温度为蓄热水箱用热侧出口温度，如式(3.12b)所示；当地源热泵制冷时，U形管入口流体温度为热泵机组冷凝器出水温度，如式(3.12c)所示：
地源热泵供暖Tgi(z,τ)＝Teo(τ)(z＝0)(3.12a)
太阳能地下蓄热Tgi(z,τ)＝Twto(τ)(z＝0)(3.12b)
地源热泵制冷Tgi(z,τ)＝Tco(τ)(z＝0)(3.12c)
当地下埋管换热器不工作时，U形管入口流体温度为上一时刻恢复结束时流体出口温度，如式(3.12d)所示：
地下土壤自然恢复Tgi(z,τ)＝Tgo(z,τ-1)(z＝0)(3.12d)
③钻孔壁与土壤接触边界：
钻...
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