一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及地埋风管换热性能技术领域，实施例具体公开一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，应用于地埋风管换热器热工性能计算软件，通过接收地埋风管截面尺寸、地埋风管埋深、地埋风管间距、风道水平方向长度、岩土热物性参数和逐时气象参数；建立单层多管地埋风管换热器传热计算数值模型和建立“计算空气湿度‑计算空气温度‑修正空气湿度‑计算岩土温度”顺序计算算法，建立了适用于浅埋和深埋的合理简化的数值传热计算模型及高效实用的计算算法，解决了地埋风管换热器热工性能计算软件全年模拟计算的速度慢问题。

【技术实现步骤摘要】
一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法
本专利技术涉及地埋风管换热性能
，具体涉及一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法。
技术介绍
目前，作为节能减排的重要策略之一，被动建筑、零能耗建筑是一种受到广泛关注的概念。实现零能耗建筑首先在建筑设计上就要考虑被动技术，能源系统方面要因地制宜集成太阳能、地热能等。浅层地热能应用包括地源热泵、地埋风管系统。地源热泵广为人知，它利用地埋水管实现制冷/热泵单元与岩土换热。地埋风管(图1)是一种直接利用温度相对稳定的岩土对空气进行冷却或加热的方案，属于被动技术，已经在很多国家和地区得到重视。为绿色建筑或被动建筑设计地埋风管系统，需要进行热工性能预测分析。地埋风管换热器涉及复杂的非稳态三维导热、对流耦合传热，至今没有精确解析模型，数值模型是可选方法。但因为空间尺寸大(上百米)，全年分析时间跨度大(8760小时)，采用通用软件进行全三维数值计算需要的CPU时间代价巨大，工程实用性差。部分一维模型针对深埋地埋风管系统建立，不适用于浅埋情形。为此，有必要建立适用于浅埋和深埋的合理简化的数值传热计算模型及高效实用的计算算法，解决了地埋风管换热器热工性能计算软件全年模拟计算的速度慢问题。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，能够解决或者至少部分解决上述存在的问题。为解决以上技术问题，本专利技术提供的技术方案是一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，包括：接收地埋风管截面尺寸、地埋风管埋深、地埋风管间距、风道水平方向长度、岩土热物性参数和逐时气象参数，其中，逐时气象参数包括空气含湿量、空气相对湿度和空气温度；建立单层多管地埋风管换热器传热计算数值模型：岩土沿地埋风管管道方向划分为若干段，忽略岩土段与段的导热；地埋风管截面尺寸采用截面积相等的原则等效成方管；假设多支风道换热相同，截面计算区域取一根风道水平方向长度的一半；忽略地埋风管与岩土热物性差异；每段岩土温度采用二维非稳态扩散数值模型计算；空气含湿量和空气温度只计算轴向变化，采用逆风格式一维非稳态对流-扩散数值模型计算；空气含湿量方程计算时忽略扩散项。优选的，所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法还包括建立：计算空气湿度-计算空气温度-修正空气湿度-计算岩土温度顺序计算算法：步骤一：接收岩土热物性参数、地埋风管埋深、地埋风管间距、地埋风管管径和地埋风管埋管长度；步骤二：接收岩土初始温度、空气初始温度及空气相对湿度；步骤三：假设空气-管壁传质系数为零，基于上一时刻的岩土温度、空气温度和空气含湿量，联立求解当前时刻空气含湿量；步骤四：接收当前流速或风量，采用关联式计算空气-管壁对流换热系数；步骤五：基于上一时刻的岩土温度、空气温度和空气含湿量，联立求解当前时刻空气温度；步骤六：判断每个节点的空气相对湿度是否超过100％：若某节点空气相对湿度超过100％，将其修正为100％或95％，温度不予修正，并重新计算当前时刻空气含湿量；步骤七：基于上一时刻的岩土温度，当前时刻空气温度和当前时刻空气含湿量计算当前时刻岩土温度；步骤八：利用计算出的当前时刻岩土温度、当前时刻空气温度和当前时刻空气含湿量更新岩土初始温度，空气初始温度和空气初始含湿量，转步骤三，进入下一时步的计算，直到完成所有时步的计算。优选的，所述每段岩土温度采用二维非稳态扩散数值模型计算；管壁采用耦合边界条件；上部边界距地埋风管中心距离为实际埋深H1，采用第一类边界条件；下部边界距地埋风管中心为H2≥10m，采用第一类边界条件；左边界为风管的垂直中心面，采用绝热边界条件；右边界距离风管中心W，等于两地埋风管的中心距D的一半，采用绝热边界条件。优选的，所述岩土温度的离散节点按以下规则编号：地表节点行号令为1；地埋风管水平中心线上节点行号令为NH1+1；计算区域底部节点行号令为NH1+NH2+1；计算区域左边界节点列号令为1；计算区域右边界节点列号令为NW+1。优选的，所述空气含湿量和空气温度采用逆风格式一维非稳态对流-扩散数值模型计算；入口节点参数已知，出口为自由出流边界条件。优选的，所述空气离散节点按以下规则编号：入口节点号令为k＝1；末端节点号为k＝NZ。优选的，所述岩土温度采用如下离散方程：(1)地表节点温度离散方程：对于地表节点(i＝1，j＝1:NW+1)，(2)底部节点温度离散方程：对于计算区域底部节点(i＝NH1+NH2+1，j＝1:NW+1)，若j＝1，则其中aW＝0，aS＝0，aP＝aP，0，(δx)e＝x(i，2)-x(i，1)，(δy)n＝y(i-1,1)-y(i,1)，λg为岩土导热系数，ρg为岩土密度，cg为岩土比热，x为水平坐标，y为纵坐标，Δτ为时间步长，P表示所计算的节点，E表示其右边的节点，W表示其左边点，N表示其上方节点，S表示其下方节点，e表示控制体右界面，w表示左界面，n表示上方界面，s表示下方界面，上标τ表示当前时步，τ-1表示上一时步；若j＝NW+1，则其中aE＝0，aS＝0，aP＝aP，0，(δx)w＝x(i，NW+1)-x(i，NM)，(δy)n＝y(i-1,NW+1)-y(i,NW+1)，若j＝2:NW，则其中aS＝0，aP＝aP,0，(δx)w＝x(i,j+1)-x(i,j)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)；(3)右边界节点温度离散方程：对于计算区域右边界节点(i＝2:NH1+NH2，j＝NW+1)，则其中aE＝0，aP＝aP,0，(δx)w＝x(i,j)-x(i,j-1)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，(δy)S＝y(i,j)-y(i+1,j)；(4)左边界节点温度离散方程：对于计算区域左边界节点，若(i＝2:NH1-NT，j＝1)或者(i＝NH1+NT+2，j＝1)，则其中aW＝0，aP＝aP,0，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，(δy)s＝y(i,j)-y(i+1,j)；(5)管壁边界节点温度离散方程：管壁节点离散方程如下：若(i＝NH1+1-NT，j＝1)，则其中aS＝0，aW＝0，(δx)e＝x(i,j+1)-x(i,j)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，h为对流换热系数，T表示空气节点温度；若(i＝NH1+1-NT，j＝2:NT)，则其中aS＝0，(δx)e＝x(i,j+1)-x(i,j)，(δx)w＝x(i,j)-x(i,j-1)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，若(i＝NH1+1-NT，j＝NT+1)，则其中(δx)e＝x(i，j+1)-x(i，j)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，若(i＝NH1-NT:NH1+NT，j＝NT+1)，则其中aW＝0，(δx)e＝x(i,j+1)-x(i,j)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，(δy)s＝y(i,j)-y(i+1,j)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，包括：/n接收地埋风管截面尺寸、地埋风管埋深、地埋风管间距、风道水平方向长度、岩土热物性参数和逐时气象参数，其中，逐时气象参数包括空气含湿量、空气相对湿度和空气温度；/n建立单层多管地埋风管换热器传热计算数值模型：岩土沿地埋风管管道方向划分为若干段，忽略岩土段与段的导热；地埋风管截面尺寸采用截面积相等的原则等效成方管；假设多支风道换热相同，截面计算区域取一根风道水平方向长度的一半；忽略地埋风管与岩土热物性差异；每段岩土温度采用二维非稳态扩散数值模型计算；空气含湿量和空气温度只计算轴向变化，采用逆风格式一维非稳态对流-扩散数值模型计算；空气含湿量方程计算时忽略扩散项。/n

【技术特征摘要】
1.一种地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，包括：
接收地埋风管截面尺寸、地埋风管埋深、地埋风管间距、风道水平方向长度、岩土热物性参数和逐时气象参数，其中，逐时气象参数包括空气含湿量、空气相对湿度和空气温度；
建立单层多管地埋风管换热器传热计算数值模型：岩土沿地埋风管管道方向划分为若干段，忽略岩土段与段的导热；地埋风管截面尺寸采用截面积相等的原则等效成方管；假设多支风道换热相同，截面计算区域取一根风道水平方向长度的一半；忽略地埋风管与岩土热物性差异；每段岩土温度采用二维非稳态扩散数值模型计算；空气含湿量和空气温度只计算轴向变化，采用逆风格式一维非稳态对流-扩散数值模型计算；空气含湿量方程计算时忽略扩散项。


2.根据权利要求1所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，还包括建立：计算空气湿度-计算空气温度-修正空气湿度-计算岩土温度顺序计算算法：
步骤一：接收岩土热物性参数、地埋风管埋深、地埋风管间距、地埋风管管径和地埋风管埋管长度；
步骤二：接收岩土初始温度、空气初始温度及空气相对湿度；
步骤三：假设空气-管壁传质系数为零，基于上一时刻的岩土温度、空气温度和空气含湿量，联立求解当前时刻空气含湿量；
步骤四：接收当前流速或风量，采用关联式计算空气-管壁对流换热系数；
步骤五：基于上一时刻的岩土温度、空气温度和空气含湿量，联立求解当前时刻空气温度；
步骤六：判断每个节点的空气相对湿度是否超过100％：若某节点空气相对湿度超过100％，将其修正为100％或95％，温度不予修正，并重新计算当前时刻空气含湿量；
步骤七：基于上一时刻的岩土温度，当前时刻空气温度和当前时刻空气含湿量计算当前时刻岩土温度；
步骤八：利用计算出的当前时刻岩土温度、当前时刻空气温度和当前时刻空气含湿量更新岩土初始温度，空气初始温度和空气初始含湿量，转步骤三，进入下一时步的计算，直到完成所有时步的计算。


3.根据权利要求1所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，所述每段岩土温度采用二维非稳态扩散数值模型计算；管壁采用耦合边界条件；上部边界距地埋风管中心距离为实际埋深H1，采用第一类边界条件；下部边界距地埋风管中心为H2≥10m，采用第一类边界条件；左边界为风管的垂直中心面，采用绝热边界条件；右边界距离风管中心W，等于两地埋风管的中心距D的一半，采用绝热边界条件。


4.根据权利要求1所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，所述岩土温度的离散节点按以下规则编号：地表节点行号令为1；地埋风管水平中心线上节点行号令为NH1+1；计算区域底部节点行号令为NH1+NH2+1；计算区域左边界节点列号令为1；计算区域右边界节点列号令为NW+1。


5.根据权利要求1所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，所述空气含湿量和空气温度采用逆风格式一维非稳态对流-扩散数值模型计算；入口节点参数已知，出口为自由出流边界条件。


6.根据权利要求1所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，所述空气离散节点按以下规则编号：入口节点号令为k＝1；末端节点号为k＝NZ。


7.根据权利要求3或4所述的地埋风管换热性能的逐时数值模拟方法，其特征在于，所述岩土温度采用如下离散方程：
(1)地表节点温度离散方程：对于地表节点(i＝1，j＝1:NW+1)，
(2)底部节点温度离散方程：
对于计算区域底部节点(i＝NH1+NH2+1，j＝1:NW+1)，
若j＝1，则其中aW＝0，aS＝0，aP＝aP，0，(δx)e＝x(i，2)-x(i，1)，(δy)n＝y(i-1,1)-y(i,1)，λg为岩土导热系数，ρg为岩土密度，cg为岩土比热，x为水平坐标，y为纵坐标，Δτ为时间步长，P表示所计算的节点，E表示其右边的节点，W表示其左边点，N表示其上方节点，S表示其下方节点，e表示控制体右界面，w表示左界面，n表示上方界面，s表示下方界面，上标τ表示当前时步，τ-1表示上一时步；
若j＝NW+1，则其中aE＝0，aS＝0，aP＝aP，0，(δx)w＝x(i,NW+1)-x(i,NW)，(δy)n＝y(i-1,NW+1)-y(i,NW+1)，
若j＝2:NW，则其中aS＝0，aP＝aP，0，(δx)w＝x(i,j+1)-x(i,j)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)；
(3)右边界节点温度离散方程：对于计算区域右边界节点(i＝2:NH1+NH2，j＝NW+1)，则其中aE＝0，aP＝aP,0，(δx)w＝x(i,j)-x(i,j-1)，(δy)n＝y(i-1,j)-y(i,j)，(δy)S＝y(i,j)-y(i+1,j...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茜，苏华，陈永强，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51