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地埋管换热器动态热负荷下地层温度场的解析解

李嘉舒 1,戴传山 1,2,雷海燕 1,2,*,马非 1,2

(1. 天津大学机械工程学院地热中心; 2. 天津大学教育部中低温高效利用重点实验室)

垂直地埋管换热器(BHE)是利用浅层地热能的主要换热装置,如何确定合理的地埋管间距对地源热泵系统(GSHPs)的传热性能与经济性影响很大。以往工程应用中未考虑地埋管热负荷的动态变化,常采用最大延米热/冷负荷(即最不利情况下)的影响半径作为设计依据,这难免会使设计参数趋于保守,很难实现地源热泵系统的技术和经济优化,而考虑了负荷变化的数值模拟方法耗时复杂,用于工程时存在很大不便。本文提出了一种考虑地埋管实际热冷负荷动态变化条件下,计算地埋管换热器影响半径的简单数学方法。该法首先推导了地埋管换热器在周期性热流边界条件下,井筒周围地层温度场的解析解,在此基础上将地面建筑物全年周期下的实际波动热冷负荷进行傅里叶级数展开近似,最后通过线性叠加每个周期函数对应的解析解,即可得到建筑物实际动态热冷负荷下的地层温度动态分布。本文提出的解析解实时耦合了地面建筑动态热冷负荷,计算结果接近实际应用,具有计算精度高、简单方便快捷的优点,便于工程实际的推广应用。

地源热泵系统;埋管换热器;解析解;周期动态负荷;傅里叶级数展开

水文地质工程地质,2023,50(02):198-206.DOI:10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202205040.

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