一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法

本发明属于地源热泵，具体涉及一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法。

背景技术：

1、中深层地埋管具有传热强度大、占地面积小、对全年冷热负荷平衡要求低等优点。基于中深层地埋管的中深层地源热泵提供了一套低碳清洁供暖方案，具有良好的应用前景。精确高效地预测中深层地埋管的传热传质性能具有重要意义，但是现有技术在预测精度或计算时间方面存在不足。

2、2023年9月，白梦梦、王沣浩和刘俊公开了一项名为“一种中深层同轴套管式地埋管载热流体的选择方法”的发明专利（申请号：202311168854.6），该专利为进一步提高中深层同轴套管式地埋管的取热性能，有效减少载热流体循环泵耗，提高碳减排量，将天然工质水、co2、氨水作为载热流体的待选、在任何工况下均考虑载热流体物性参数的实时变化，得出同等长期用热条件下地埋管的长期循环泵耗进而确定碳减排量；再综合水、co2、氨水作为载热流体时自身的碳减排量，比选最佳的载热流体，从而得出既绿色节能又经济的综合优化技术方案。

3、2024年4月，《暖通空调》第54卷第4期第113-119页，邓杰文、彭晨玮、朱超、李骥、孔维政、李建峰、强文博和魏庆芃公开了一篇名为“中深层地埋管热泵供热系统运行特性实测研究”的文章，该文章通过大量工程实测研究，总结了中深层地埋管热泵供热技术的运行特性。中深层地埋管具有出水温度高、取热功率大、长期运行稳定的特点，为热泵系统提供了高品位的低温热源，以提升其运行性能；同时中深层地埋管自身存在间歇蓄热特性，能很好地满足建筑供热需求变化与柔性用能；无级变频热泵机组更适合与中深层地埋管匹配运行，节能减排效果显著；热源侧水系统具有小流量、大扬程，且阻力随着流量变化而大幅度变化的特性。此外，该文章提出了中深层地埋管压降拟合公式。

4、2025年6月，《建筑节能（中英文）》第53卷第6期第7-15页，杨彪、张慧峰、王铭、屈逸飞、王沣浩和蔡皖龙公开了一篇名为“内管管径尺寸对中深层地埋管换热器换热性能影响因素分析及设计优化”的文章，该文章主要对中深层地埋管换热器内管管段在取热过程中的能量传递规律展开分析，选取典型内管管径设计参数，明晰众多设计参数对其取热性能的影响程度，为中深层地埋管换热器内管参数设计奠定基础。结果表明，内管管径尺寸的减小对中深层地埋管换热器的出口温度水平存在提升效果，但与此同时，内管管径尺寸的减小带来沿程阻力的大幅提升，水泵承担功耗增加，供暖季水泵运行费用急剧增加。内管热导率越大，内管管径的变化对于埋管取热性能的影响程度越大；埋管深度越深，内管管径的变化对于埋管取热性能的影响程度越大。基于上述研究分析结果，对不同深度及不同内管热导率的埋管换热器，当埋管换热器外管管径变化时，采用换热器阻力与换热能力协同分析方法，均存在最优内管设计管径。

5、2025年12月，《化工进展》第44卷第12期第6859-6870页，张期强、王烨、刘亨坚、张露予、鲁贽和恒子欣公开了一篇名为“中深层地热管群非等深布置对取热性能的影响”的文章，该文章在总埋管长度相等的条件下，针对等深布置和非等深布置情况，使用comsolmultiphysics 6.2进行数值模拟，分别对比分析了井管交叉线形排列、井管矩形排列和井管圆形排列3种井管排列方式的管群运行20年后的取热效果。结果表明：无论是等深布置还是非等深布置，dbhe的不同井管布置形式对地埋管取热性能的影响存在一定差异。交叉线形排列时各地埋管出口水温和取热功率衰减最小，其次为矩形排列，圆形排列方式衰减最大。根据“冷堆积”区域范围有针对性地移除部分井管，在等深布置和非等深布置情况下均可有效提升管群的取热能力。与等深布置相比，改进平面布置后的非等深布置，矩形排列取热量提升率可达24.59%，交叉线形排列提升率可达24.36%，而圆形排列仅为13.04%。研究结果对于管群设计具有一定的理论指导意义。

6、然而，只有第1篇文献考虑了工质热物性随温度和压力的变化，而其他文献都忽略了工质热物性变化，这会导致较低的性能预测精度。此外，第1、3、4篇文献均采用数值模型模拟中深层地埋管的传热传质性能，存在建模复杂、计算耗时较长等不足。第2篇文献采用经验拟合公式分析中深层地埋管传质性能，其精度较低。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题

2、中深层地埋管的深度较深，所涉及到的工质温度及压力的变化范围较大，其所对应的工质热物性变化也较大，并且工质热物性与工质温度及压力存在较强的耦合关系，但是现有中深层地埋管传热传质性能预测方法忽略了该变化，或基于复杂的数值模型考虑该变化，因而存在性能预测精度低、建模复杂或计算耗时较长的问题。为了解决现有方法所存在的这些问题，本发明提出了一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法：采用解析理论分析中深层地埋管管壁、回填土及岩土中的传热热阻，采用数值方法模拟考虑工质热物性变化的工质传热传质过程，进而构建中深层地埋管半解析传热传质模型，然后对该模型进行迭代求解，计算工质温度及压力随空间和时间的分布，进而计算中深层地埋管传热传质性能。

3、2.技术方案

4、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

5、本发明的一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法，首先，输入中深层地埋管的结构参数、运行参数及相关的热物性参数，基于解析理论分析中深层地埋管管壁、回填土及岩土中的传热热阻，建立考虑工质热物性变化的工质传热传质方程，进而构建中深层地埋管半解析传热传质模型，其中，工质热物性与温度及压力有关；然后，对所述半解析传热传质模型进行迭代求解，计算工质温度及压力随空间和时间的分布，进而计算中深层地埋管传热传质性能。

6、更进一步地，将对半解析传热传质模型进行迭代求解的总计算时间分为n等份，在任意第n个时刻的模型求解步骤为：基于第（n-1）个时刻的工质温度及压力分布计算第n个时刻的工质热物性分布，将得到的工质热物性分布代入到半解析传热传质模型中，并估算第n个时刻的工质温度及压力分布，然后基于第n个时刻的工质温度及压力分布估算值计算第n个时刻的工质热物性分布，再次将得到的工质热物性分布代入到半解析传热传质模型中并计算第n个时刻的工质温度及压力分布。

7、3.有益效果

8、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

9、（1）本发明的一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法，综合考虑了工质热物性随温度和压力的变化，采用解析理论分析中深层地埋管管壁、回填土及岩土中的传热热阻，采用数值方法模拟考虑工质热物性变化的工质传热传质过程，进而构建中深层地埋管半解析传热传质模型，然后对该模型进行迭代求解，能够精确地模拟中深层地埋管内的工质温度及压力随时间和空间的分布，可用于准确分析中深层地埋管的传热传质性能，其精度远高于忽略工质热物性变化的模型。

10、（2）本发明的一种基于半解析模型的中深层地埋管传热传质性能预测方法，采用了建模简便、公式简单、计算耗时短的半解析模型，克服了其他方法建模复杂、公式复杂、计算耗时长的缺点。