一种考虑建筑—土壤—空气耦合传热边界条件的能源桩设计方法与流程

本发明涉及绿色低碳建筑及浅层地热能利用，更具体的说是涉及一种考虑建筑—土壤—空气耦合传热边界条件的能源桩设计方法。

背景技术：

1、能源桩技术结合了地源热泵技术与建筑桩基技术，既为建筑提供了支撑力，又利用地热能为建筑提供冷热源，有效地解决了钻孔埋管地源热泵初投资高、占地面积大的迫切问题，是绿色低碳建筑技术领域的前沿技术之一。现有的能源桩设计方法多是基于钻孔埋管地源热泵系统、设计软件或者设计师自身经验，以能源桩桩长为设计目标。

2、但现有能源桩设计多参照钻孔埋管地源热泵系统的设计方法，存在以下问题：一方面，现有设计方法所采用的无限线源模型、有限线源模型及其改进模型，多采用恒定地表温度等简化条件，难以处理由草地和一个或多个建筑覆盖区域共同形成的空间非均匀地面环境；同时，能源桩埋深相对较浅，桩体尺寸较大且内部结构较为复杂，建筑—土壤—空气耦合传热边界条件以及桩基热容对其动态换热过程的影响不宜忽略。另一方面，传统钻孔埋管设计通常以承担既定建筑负荷所需的地下换热器总长度为设计输出，而能源桩的数量、长度及布置主要由建筑结构承载要求和施工条件确定，通常不能根据建筑冷热负荷任意调整。

3、因此，如何提供一种考虑建筑—土壤—空气耦合传热边界条件的能源桩设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种考虑建筑—土壤—空气耦合传热边界条件的能源桩设计方法，旨在解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种考虑建筑—土壤—空气耦合传热边界条件的能源桩设计方法，在能源桩数量、长度及布置方案已经确定的条件下，以能源桩能够承担的最大建筑负荷比例为设计目标，包括以下步骤：

4、s1，获取能源桩系统、地下与地表环境、建筑逐时负荷、流体温度设计限值及性能系数的相关参数，设置能源桩负荷比例初始下边界、初始上边界、初始性能系数序列及收敛容差；

5、s2，以草地温度作为背景边界，计算一个或多个建筑覆盖区域相对于草地背景产生的温度修正，对于群桩系统，针对每根能源桩逐建筑叠加并对全部能源桩取算术平均，获得复杂地面环境引起的温度响应；

6、s3，根据地下初始温度场及土壤参数计算地下初始温度场引起的温度响应；

7、s4，根据建筑逐时负荷、当前能源桩负荷比例p和性能系数确定逐时地下换热量及单位桩长热流密度，将热流密度表示为热流密度增量的阶梯叠加形式并与全时间尺度地下热阻卷积，获得能源桩运行负荷引起的温度响应；所述全时间尺度地下热阻由换热管—流体稳态热阻、桩体非稳态热阻和土壤非稳态热阻组成，所述桩体非稳态热阻反映桩基热容的影响，所述土壤非稳态热阻根据建筑—土壤—空气耦合地表边界条件确定；

8、s5，将复杂地面环境引起的温度响应、地下初始温度场引起的温度响应和能源桩运行负荷引起的温度响应叠加得到逐时平均流体温度，根据逐时平均流体温度、逐时地下换热量、流体质量流量和比热容计算入口及出口流体温度，并根据出口流体温度更新性能系数，直至性能系数满足收敛条件；

9、s6，根据计算周期内最高或最低平均流体温度与相应设计限值的比较结果判定当前负荷比例是否可行，采用二分法更新负荷比例上下边界，根据更新后的边界重新确定负荷比例并重复s4和s5，直至控制温度差满足预设容差，输出最后一次可行负荷比例及对应逐时运行结果。

10、进一步的，s2中，将地表环境划分为草地背景区域以及一个或多个建筑覆盖区域；将所述草地背景区域简化为在水平计算平面内向四周无限延伸的背景区域，并将各建筑覆盖区域分别简化为具有确定边界坐标的矩形平面区域；以草地温度作为所述无限延伸背景区域的温度边界，根据各矩形建筑覆盖区域的边界坐标以及建筑覆盖区域温度与草地温度之间的温差，分别计算各矩形建筑覆盖区域相对于草地背景产生的温度修正，并将各温度修正与草地背景产生的温度响应叠加，得到复杂地面环境引起的温度响应。

11、进一步的，对于包含多根能源桩的系统，分别以各能源桩的中心作为水平计算平面的局部坐标原点；将各矩形建筑覆盖区域的边界坐标转换为相对于对应能源桩中心的局部边界坐标；针对每根能源桩，根据各矩形建筑覆盖区域的局部边界坐标，分别计算各矩形建筑覆盖区域相对于无限延伸草地背景产生的温度修正，并将同一能源桩对应的各建筑覆盖区域温度修正与草地背景产生的温度响应叠加，得到该能源桩受到的复杂地面环境温度响应；对全部能源桩受到的复杂地面环境温度响应取算术平均，得到能源桩群受到的平均复杂地面环境温度响应。

12、进一步的，s3中，在建筑—土壤—空气耦合传热边界条件下，根据地下初始温度场、能源桩长度、桩顶埋深及土壤热物性参数计算地下初始温度场引起的温度响应。

13、进一步的，所述换热管—流体稳态热阻用于表征流体与换热管之间的稳态传热过程；所述桩体非稳态热阻用于表征换热管与桩壁之间的非稳态传热过程，并通过桩体导热系数、体积热容及相应热扩散过程反映桩基热容对短期动态温度响应的影响；所述土壤非稳态热阻用于表征桩壁以外土壤中的非稳态传热过程，并考虑建筑—土壤—空气耦合地表边界条件对土壤传热响应的影响。

14、进一步的，s4包括：根据建筑逐时负荷、能源桩负荷比例及各时刻的性能系数确定逐时地下换热量；根据能源桩数量和能源桩长度，将所述逐时地下换热量转换为单位桩长热流密度；将各时刻单位桩长热流密度表示为热流密度增量的阶梯叠加形式，并采用杜哈梅尔叠加原理，将各热流密度增量与对应时间间隔下的全时间尺度地下热阻进行卷积叠加。

15、进一步的，s5中，根据逐时平均流体温度、逐时地下换热量、流体质量流量和流体比热容，计算各时刻的入口流体温度和出口流体温度；根据出口流体温度与性能系数之间的预设对应关系，获得更新后的各时刻性能系数。

16、进一步的，所述性能系数的迭代包括：根据当前性能系数序列计算逐时地下换热量、逐时平均流体温度、入口流体温度和出口流体温度；根据出口流体温度更新性能系数序列，并计算更新前后的性能系数序列之间的均方根误差；当所述均方根误差不大于预设性能系数容差时，判定性能系数收敛；否则，以更新后的性能系数序列替代当前性能系数序列并重新进行计算。

17、进一步的，所述流体温度设计限值包括最高平均流体温度限值或最低平均流体温度限值；对于以制冷工况为主的地区，以计算周期内的最高平均流体温度作为控制温度，并以最高平均流体温度限值作为相应的流体温度设计限值；当当前能源桩负荷比例p对应的最高平均流体温度高于所述最高平均流体温度限值时，判定当前能源桩负荷比例p不可行，并将当前能源桩负荷比例p更新为能源桩负荷比例的上边界；当所述最高平均流体温度不高于所述最高平均流体温度限值时，判定当前能源桩负荷比例p可行，并将当前能源桩负荷比例p更新为能源桩负荷比例的下边界；对于以制热工况为主的地区，以计算周期内的最低平均流体温度作为控制温度，并以最低平均流体温度限值作为相应的流体温度设计限值；当当前能源桩负荷比例p对应的最低平均流体温度低于所述最低平均流体温度限值时，判定当前能源桩负荷比例p不可行，并将当前能源桩负荷比例p更新为能源桩负荷比例的上边界；当所述最低平均流体温度不低于所述最低平均流体温度限值时，判定当前能源桩负荷比例p可行，并将当前能源桩负荷比例p更新为能源桩负荷比例的下边界。

18、进一步的，采用二分法更新能源桩负荷比例，包括以下步骤：设置能源桩负荷比例的初始下边界lp和初始上边界up，根据当前下边界lp和当前上边界up按照p=(lp+up)/2确定当前能源桩负荷比例p；按照当前能源桩负荷比例p计算逐时平均流体温度，并根据权利要求9所述的控制温度与相应流体温度设计限值的比较结果，将当前能源桩负荷比例p更新为新的上边界up或新的下边界lp；根据更新后的上边界up和下边界lp重新计算能源桩负荷比例p，并按照新的能源桩负荷比例p重新进行逐时温度计算、性能系数迭代和负荷比例边界更新；重复上述过程，直至最后一次可行负荷比例对应的控制温度与相应流体温度设计限值之间的差值绝对值不大于预设温度容差；将迭代结束时最后一次被判定为可行的能源桩负荷比例p，确定为能源桩能够承担的最大建筑负荷比例。

19、相较于现有技术，本发明通过将无限延伸草地背景与一个或多个建筑覆盖区域的温度修正相结合，并针对不同能源桩进行逐建筑叠加和桩群平均，同时在全时间尺度地下热阻中考虑换热管—流体传热、桩基热容以及建筑—土壤—空气耦合地表边界条件的影响，能够较为完整地表征空间非均匀地面环境及不同时间尺度传热过程对能源桩逐时温度响应的影响，降低因采用均匀地表边界或忽略桩基热容而产生设计偏差的风险；在能源桩数量、长度及布置已经确定的条件下，以能源桩能够承担的最大建筑负荷比例作为设计目标，通过逐时温度计算、性能系数迭代和负荷比例二分优化，将能源桩热响应预测与建筑负荷分配设计相结合，使设计结果与结构桩方案既定的工程约束相匹配，并能够输出满足流体温度限值的最大建筑负荷比例及相应逐时运行结果。