地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置制造方法

地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于地源热泵【技术领域】，提供一种地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置，所述方法包括：确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性；确定随机参数的概率分布；建立地源热泵地埋管系统的可靠性指标；建立功能状态模型；根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管系统的可靠度。本发明依据建筑物的构造、建筑设计、结构选型等因素，建立耗能量随机模型及分布规律，在可靠性指标和经济性指标约束条件下，依据耗能量指标，地埋管与岩土的随机传热性能，考虑地埋管尺寸、回填料、环境条件，对地埋管地埋管进行设计计算，为地源热泵地埋管设计提供了一种可靠方案。
【专利说明】地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置

【技术领域】
[0001] 本发明属于地源热泵【技术领域】，尤其涉及一种地源热泵地埋管可靠性设计方法及 装直。

【背景技术】
[0002] 地源热泵地埋管的设计是地源热泵的关键技术，由于地下岩土性质的复杂性，使 得地埋管设计无法满足工程需要。地源热泵地埋管与岩土耦合，呈现出结构复杂与随机特 性，在地下传热过程中表现出显著的不确定性。当考虑材料多孔性和复杂工况条件时，岩土 介质热物性参数固有的随机属性不可忽略。由于地源热泵地埋管地埋管工作环境极其复 杂，现有地埋管传热设计方法过于简单，致使地源热泵空调系统节能效果出现较大偏差，阻 碍了地源热泵技术推广应用。很明显，在影响地源热泵地埋管的诸多因素中，岩土导热系 数、随季节变化地源热（冷）采用量、地下导热及埋管流体热交换都具有随机性。因此，现 有的设计方法可能使得地源热泵换热系统功能失效或投资偏大。
[0003] 岩土介质热物性、密度、温湿度，埋管材料性质、管径、管中流体物性、流速等诸多 因素对传热的影响，在研究时通常使用简化模型。国际上，至今还没有一致公认的地埋管地 埋管设计方法。地埋管传热模型是该项技术应用基础，但是实用传热模型的研究却一直是 地源热泵空调技术的难点。
[0004] 20世纪40年代，欧美各国开始注重地源热泵技术的应用，对地埋管与岩土的传热 模式进行了系统研究。代表性的有1948年Ingersoll和Plass根据Kelvin线源概念，提 出了地埋管传热的线热源理论，目前大多数地源热泵地埋管的设计皆以该理论为基础。国 内对地源热泵的应用研究、尤其是理论探索起步较晚，20世纪末至今，国内的学者和工程技 术人员对地源热泵地埋管的传热机理、理论分析、及工程实践进行了初步研究工作，取得了 一定的成绩。包括机理分析、传热模型分析理论、计算模拟方法、设计方法等。然而，上述方 法基本上都是确定性理论与计算方法，无法准确解释具有随机因素的地下传热问题。


【发明内容】

[0005] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种地源热泵地埋管可靠性设计方法及装 置，旨在提供一种地源热泵地埋管设计方案。
[0006] -方面，所述地源热泵地埋管可靠性设计方法包括下述步骤：
[0007] 确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性；
[0008] 确定随机参数的概率分布；
[0009] 建立地源热泵地埋管系统的可靠性指标；
[0010] 建立功能状态模型；
[0011] 根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管系统的可靠度。
[0012] 另一方面，所述地源热泵地埋管可靠性设计装置包括：
[0013] 参数确定单元，用于确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性；
[0014] 概率分布确定单元，用于确定随机参数的概率分布；
[0015] 可靠性建立单元，用于建立地源热泵地埋管系统的可靠性指标；
[0016] 模型建立单元，用于建立功能状态模型；
[0017] 可靠度计算单元，用于根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管系统的可靠 度。
[0018] 本发明的有益效果是：本发明充分考虑岩土结构就物理性质的随机性、地质环境 与流体介质传热、应用随机分析方法，考虑含有随机参量的地源热地埋管随机传热模型，据 此，获得地源热泵热能储量及可持续利用量随机分布状态，作为可靠性设计指标，建立可靠 性设计理论体系。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例提供的地源热泵地埋管可靠性设计方法的流程图；
[0020] 图2是本发明实施例提供的地源热泵地埋管可靠性设计装置的结构方框图。

【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0022] 本发明首先定义地埋管传热系统可靠性，依据建筑物的构造、建筑设计、结构选型 等因素，建立耗能量随机模型及分布规律，在可靠性指标和经济性指标约束条件下，依据耗 能量指标，地埋管与岩土的随机传热性能，考虑地埋管尺寸、回填料、环境条件，对地埋管地 埋管进行设计计算。
[0023] 地埋管传热系统可靠性定义是：在规定时间和条件下，满足预定功能之能力。"规 定时间"是系统设计寿命时间。"规定条件"是正常设计、施工、使用条件。系统耗能通常用 系统各种性能指标来表示。系统实现了规定的性能指标就是"完成"了系统的功能要求，否 则系统丧失了功能。从定义中可以看出，地埋管传热系统可靠性设计将充分考虑随机因素。
[0024] 地源热泵地埋管设计、安装、维护的目的，是为了系统在设计寿命期安全可靠稳定 运行。应用可靠性理论与方法，首先需对地源热泵地埋管建立可靠性指标体系。如地源热 泵地下换热量、地下热源（冷源）稳定性、地源热泵空调能效比等功能指标，这些指标可以 作为确定性指标，也可作为随机量指标。而设计的地源热泵地埋管在运行中所处的实际工 况，即系统"效应"适合作为随机变量考虑，反映地源热泵地埋管系统安全运行的状况，可用 系统"效应"与系统"能力"之间的某种关系来确定。如果是阀值关系，则可以用超越概率 来描述，如果是区间或集合关系，则可用交集的概率来描述。
[0025] 地源热泵地埋管地埋管可靠性设计，首先必须确定系统随机变量试验资料，得到 其分布规律，作为系统可靠性分析依据。这些随机变量主要来自三个方面：系统冷/热负 荷、传热材料性质、地埋管地埋管系统布置与几何尺寸。这些随机变量大多呈正态分布、对 数正态分布和极值型分布。它们的统计特征量是均值、标准差、相关偏度或变异系数等。然 后，计算得到系统的负荷效应，同时由实验或统计资料得到系统能耗，它是指系统应具有供 能能力，负荷效应与耗能能力组成系统可靠度计算极限状态方程，其中的负荷效应通过系 统耗能分析获得，据此计算满足系统耗能要求的可靠度。工程上可用系统可靠指标来反映 系统的可靠度。因此，可以定义地源热泵地埋管系统可靠性如下：
[0026] 若传热系统的功能需求K和负荷效应Φ是两个随机变量，地源热泵地埋管系统 在规定的条件下、在规定的时间内，符合规定的要求的安全概率Ps用下式表示：
[0027] Ps =P(Φ符合功能需求K) (1)
[0028] 式中P( ·)为事件的概率。称Ps为地埋管系统的可靠度。地源热泵地埋管系统 失效的概率Pf可表为：
[0029]Pf =I-Ps (2)
[0030] 为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0031] 图1示出了本发明实施例提供的地源热泵地埋管可靠性设计方法的流程，为了便 于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
[0032] 本实施例提供的地源热泵地埋管可靠性设计方法包括下述步骤：
[0033] 步骤S101、确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性。
[0034] 地源热泵地埋管随机因素应包括：岩土参数及其热物性、地源温度场分布、地埋管 几何尺寸及空间布局、地埋管内流热特征、及地源热量（冷量）采取的随机量等。对于系统 而言，可考虑地埋管连接方式、使用寿命随机性。建筑空调负荷是一个复杂、多因素影响的 过程，它既受室内外的环境影响还受到建筑围护结构的特性影响。在满足室内环境舒适度 情况下，保证最节能方案是地源热泵空调设计的原则。
[0035] 空调区的得热量主要有围护结构随机传热量，透过外窗进入的太阳辐射量，人体、 照明、设备等内部热源的散热量，对于围护结构传入的热量，由下列传热理论计算公式确 定：
[0036] Q=kFΔT(3)
[0037] 式中：Q为随机传热量，k为随机传热系数，ΛT为传热温差。
[0038] 本步骤中，首先利用谐波反应法确定建筑得热量；然后计算测试数据随机统计特 征。
[0039] 建筑物在室外空气综合温度作用下形成空调负荷有两个过程：一是室外综合温度 作用（外扰）产生室内得热量；另一个是室内得热量经围护结构和室内家俱等吸热、放热， 最后形成冷负荷的过程。两者的共同点是热量具有周期性，围护结构对热量具有衰减和延 迟作用。当室外综合温度作用于围护结构外表面，其内表面温度和热流将产生衰减和延迟。 该热流值即为室内得热量，其中对流部分，直接变为室内冷负荷；辐射部分经室内围护结构 的吸热一放热反应后再形成冷负荷，该负荷也表现出衰减和延迟特征。因此，衰减度和延迟 时间是谐波法的两个重要参数，它们可以通过求解导热微分方程求得。对于多层围护结构， 衰减度是多层衰减度之积，延迟时间是各层延迟时间之和。
[0040](a)墙体、屋面得热，根据谐波法总冷负荷为：

【权利要求】
1. 一种地源热泵地埋管可靠性设计方法，其特征在于，所述方法包括： 确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性； 确定随机参数的概率分布； 建立地源热泵地埋管系统的可靠性指标； 建立功能状态模型； 根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管系统的可靠度。
2. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述确定地源热泵地埋管系统的随机参数特 性步骤，具体包括： 利用谐波反应法确定建筑得热量； 计算测试数据随机统计特征。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述建立功能状态模型步骤，具体包括： 确定地源热泵地埋管系统的极限状态，所述极限状态包括换热能力极限状态、正常使 用极限状态和环境因素影响极限状态； r IOOOO(RP + R,F )(COP+1) 计算地埋管极限状态模型4 =--^rnnif ' ^ ,其中L。为按照制 冷工况确定的地埋管地埋管所需的长度；R。为夏季建筑设计最大冷负荷；F。为制冷运行系 数，F。为一个制冷季中热泵的运行小时数八一个制冷季天数X24)，或当运行时间取一个 月时，F。为最热月份运行小时数八最热月份天数Χ24) ;tmax为热泵机组制冷时冷凝器设计 最大进液温度；C0P。为在tmax下热泵机组的制冷性能系数；tH为全年岩土最高温度；Rp为管 道热阻；RS为岩土热阻。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述地源热泵地埋管系统的可靠度
其中A=C0Pc(tmax-tH) (C0Pc+l)，B=IOOORp,C= 1000F。，μQ、σq是Qc 的均值和标准 差，夂 7&是Rs的均值和标准差。
5. -种地源热泵地埋管可靠性设计装置，其特征在于，所述装置包括： 参数确定单元，用于确定地源热泵地埋管系统的随机参数特性； 概率分布确定单元，用于确定随机参数的概率分布； 可靠性建立单元，用于建立地源热泵地埋管系统的可靠性指标； 模型建立单元，用于建立功能状态模型； 可靠度计算单元，用于根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管系统的可靠度。
6. 如权利要求5所述装置，其特征在于，所述参数确定单元包括： 得热量确定模块，用于利用谐波反应法确定建筑得热量； 特征计算模块，用于计算测试数据随机统计特征。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述模型建立单元包括： 极限状态确定模块，用于确定地源热泵地埋管系统的极限状态，所述极限状态包括换 热能力极限状态、正常使用极限状态和环境因素影响极限状态； 极限状态模型计算模块，用于计算地埋管极限状态模型rIOOOO(Rp+R,F)(COP+1) 4=--rnPit'-i\ '--，其中L。为按照制冷工况确定的地埋管地埋管所 L(.y/r(fniax -?π ) 需的长度；R。为夏季建筑设计最大冷负荷；F。为制冷运行系数，F。为一个制冷季中热泵的运 行小时数八一个制冷季天数X24)，或当运行时间取一个月时，F。为最热月份运行小时数 八最热月份天数X24) ;tmax为热泵机组制冷时冷凝器设计最大进液温度；C0P。为在tmax下 热泵机组的制冷性能系数；tH为全年岩土最高温度；Rp为管道热阻；RS为岩土热阻。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述地源热泵地埋管系统的可靠度
其中A=C0Pc(tmax-tH) (C0Pc+l)，B=IOOORp,C= 1000F。，μQ、σq是Qc的均值和标准 差，As、是Rs的均值和标准差。
【文档编号】G06F17/50GK104317991SQ201410533047
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】王小年, 管昌生, 刘鸿, 常明 申请人:中建三局第三建设工程有限责任公司