一种中深层U型换热井循环液温度的预测方法与流程
本发明涉及建筑环境与能源应用专业工程技术领域，具体涉及一种中深层u型换热井循环液温度的预测方法。
背景技术：
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
地源热泵技术因其节能和环保优势被推广应用，地下介质在夏季和冬季分别向建筑物提供冷量和热量。整个系统由地埋管换热器、热泵机组和室内末端设备组成，而地埋管换热器则体现了地源热泵与其他类型热泵的区别。近些年，主要将距离地面50m至200m范围的浅层地热能作为地源热泵的冷热源，采用钻孔埋设换热管以制作地埋管换热器。由于钻孔较浅，一个工程项目往往需要多个地埋管换热器承担冷热负荷，以满足建筑物的供冷和供热需求；因此，需要一定面积的土地布置钻孔埋管，而且当冷热负荷不平衡时地下传热的效果变差，尤其是对于单供冷或单供热的地区，排入或吸收地下的热量导致浅层地下温度逐年的变化明显，无法保证良好的供能效果。
随着对地热能技术的探索，中深层地源热泵系统被提出且应用于实际工程，通常采用深度为1500-3000m的地埋管换热器以实现岩土层与地埋管之间的热交换；由于钻孔及埋管直径较大且深度远大于浅层地埋管，故一个地埋管换热器可承担几千甚至上万平方米建筑面积的供暖量，节省较多布置地埋管的土地面积；中深层地下介质的温度远高于浅层地质，对于冷热负荷不平衡或单供热的区域，地下温度逐年变化较小而不影响系统的性能。与浅层地源热泵系统以及目前存在的提取中深层地下水作为热泵低温热源的供热系统相比，中深层地埋管在于采用封闭式换热器，从地下1500-3000m深、温度在70-90℃甚至更高范围的岩石中，提取蕴藏其中的地热能作为热泵系统的低温热源。为了保证地下换热装置的结构稳定性，通常采用套管结构，即采用相同圆心的内外管，外管和内管分别为钢管和塑料管，钢管作为套管外围护部件，起到良好的固定作用，其导热系数较大且硬度高，有利于管内循环液与地下介质的换热。塑料管道导热系数较小，可实现保温作用。循环液从内外管之间的空隙流入套管，经过与地下介质的充分换热后，从内管返回流出。
由于单钻孔中深层套管换热器提供热量的能力有限，难以满足建筑面积较多时的供热需求，为进一步加强中深层地埋管的换热能力，提高中深层地热能的利用效果，可将深度在1500-3000m的两个竖直钻孔埋管在底部进行水平连接，即在底部采用水平钻孔埋管的方式，三段钻孔埋管形成“u”型井地埋管换热器。钻孔中可无需采用套管，而直接采用钢管。循环液从其中一竖直钻孔的钢管流入，依次经过竖直钢管、水平钢管、竖直钢管，进而从另一竖直钻孔内的钢管流出，然后进入下一个循环。
发明人发现，对于中深层u型井循环液温度的监测，需要在中深层u型井中布置大量的温度监测元件，由于中深层u型井埋深较深，因此温度监测元件的布置不方便，而且所需要的温度监测元件的数量较多，设备投资较大，而且无法预测循环液的温度变化趋势，尤其是一年甚至若干年后的温度变化，更是难以通过实验获得数据。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种中深层u型换热井循环液温度的预测方法，能够通过循环液进口处的温度得到u型换热井其他位置的温度和未来多个时刻的温度，无需布置大量的温度监测元件，减少了设备投资。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种中深层u型换热井循环液温度的预测方法，所述中深层u型换热井包括下降管、水平管和上升管，在中深层u型换热井内及其外周的岩土设置多个节点，采集循环液入口处节点及其外周岩土节点初始时刻的温度信息，将采集温度信息代入由中深层u型换热井内多个节点的节点方程形成的预测模型，得到中深层u型换热井其他位置节点及其他时刻的温度信息。
本发明的有益效果：
本发明的一种中深层u型换热井循环液温度预测方法，可以通过采集循环液入口处及外周岩土的节点初始时刻的温度信息，通过多个节点的节点方程即可得到u型换热井其他节点和具体时刻的温度信息，能够掌握u型换热井内相应位置的循环液温度并掌握温度随时间的变化规律，无需布置大量的温度监测元件，减少了设备投资，有利于观察和研究循环液流体的温度变化是否合理，了解换热器的供热能力。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1中深层u型换热井结构示意图；
图2为本发明实施例1节点分布示意图；
其中，1.下降管，2.水平管，3.上升管，4.下降钻孔，5.水平钻孔，6.上升钻孔，7.岩土，8.地面，9.回填材料。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，目前对于中深层u型换热器，对于温度的监测需要布置大量的温度监测元件，设备投资高，且无法进行循环液温度未来较长时间后的预测，针对上述问题，本申请提出了一种中深层u型井换热器循环液温度预测方法。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，一种中深层u型井换热器循环液温度预测方法，在中深层u型换热井内及其外周的岩土划分多个节点，采集循环液入口处节点及其外周岩土节点初始时刻的温度信息，将采集的温度信息代入由中深层u型换热井内多个节点的节点方程形成的预测模型，得到中深层u型换热井其他位置循环液节点及其他时刻的温度信息。
如图1所示，所述中深层u型井换热器埋设在岩土7中，包括三个管段，分别为下降管1、水平管2和上升管3，所述下降管位于下降钻孔4内，所述水平管位于水平钻孔5内，所述上升管位于上升钻孔6内，所述下降管、水平管和上升管的管壁与钻孔的孔壁之间设置有回填材料9。下降管和上升管伸出至地面8以上。
中深层u型井换热器循环液工作时，由下降管的顶端流入，经过下降管、水平管和上升管后，由上升管的顶端流出。
所述节点的设置如图2所示，所述中深层u型井换热器内的节点设置方法为：根据实际需要确定相邻两个节点之间的距离步长△z，下降管的长度为h1，水平管的长度为h2，上升管的长度为h3。每个管段的长度与距离步长的比值，然后取整数部分，即得到每个管段的节点个数。
则下降管、水平管和上升管内的节点总数n1、n2、n3分别为h1/△z、h2/△z、h3/△z的值取整数部分，例如h1/△z＝100.7，则n1＝100，采用相同的方法得到n2、n3。下降管从循环液入口位置开始依次设置节点，水平管从循环液入口位置开始依次设置节点，上升管从循环液入口位置开始依次设置节点。
对下降管、水平管和上升管内的节点进行编号。
下降管中，下降管循环液入口位置的节点为0号节点，按照循环液流动方向依次对其余节点编号为1号、2号…k号…n1号节点，其中0≤k≤n1。
水平管中，水平管循环液入口位置的节点为0号节点，按照循环液流动方向依次对其余节点编号为1号、2号…k号…n2号节点，其中0≤k≤n2。
上升管中，上升管循环液入口位置的节点为n3号节点，按照循环液流动方向依次对其余节点编号为n3-1号、n3-2…k号…0号节点，其中0≤k≤n3。
下降管、水平管和上升管外周的岩土也划分多个节点。
下降管外周岩土的多个节点沿下降管的轴线方向设置，相邻两个节点的距离步长与下降管中相邻两个节点的距离步长相同，下降管及其外周岩土的节点中，位于同一水平面的两个节点编号相同，即下降管中k号节点对应的岩土的节点与其在同一水平面内，其编号也为k号。
水平管外周岩土的多个节点沿水平管的轴线方向设置，相邻两个节点的距离步长与水平管中相邻两个节点的距离步长相同，水平管及其外周岩土的节点中，位于同一竖直面的两个节点编号相同，即水平管中k号节点对应的岩土的节点与其在同一竖直面内，其编号也为k号。
上升管外周岩土的多个节点沿上升管的轴线方向设置，相邻两个节点的距离步长与上升管中相邻两个节点的距离步长相同，上升管及其外周岩土的节点中，位于同一水平面的两个节点编号相同，即上升管中k号节点对应的岩土的节点与其在同一水平面内，其编号也为k号。
中深层u型换热井及其各管道外周的岩土设置好节点后，对下降管、水平管及上升管内的各个节点建立节点方程。
下降管、水平管及上升管内节点的节点方程的建立方法为：对其内部的每个节点建立能量控制方程，将单位长度的循环液和换热井的钻孔孔壁之间的热阻、换热井钻孔内回填材料热容量及循环液的质量流量比热容带入建立的能量控制方程中，得到每个节点的节点方程。
下降管的节点的能量控制方程为：
其中c1为单位长度的下降钻孔内回填材料的热容量之和，r1为单位长度的下降钻孔孔壁与循环液之间的热阻，tf1为下降管内循环液的温度值，tb1为下降管钻孔的孔壁岩土的温度值，z为下降管内k号节点的竖直向坐标值，τ表示时间。
其中，d1i为下降管内径，d1o为下降管的外径，ρ1c1为下降管的体积比热容，db1为下降钻孔的直径，ρg1cg1为下降管内回填材料的体积比热容，ρwcw为循环液的体积比热容，可预先测量得到。
其中，d1i为下降管内径，d1o为下降管的外径，λp1为下降管的导热系数，λg1为下降管内回填材料的导热系数，h1下降管与循环液的对流换热系数。
c＝mcw(kj/s.k)(4)
m为下降管中循环液的质量流量，cw循环液的比热容。
将公式(2)、(3)、(4)带入下降管每个节点的能量控制方程(1)中，能够得到下降管中每个节点的节点方程。
1).下降管的循环液入口处节点编号为0号，k＝0
0号节点的节点方程为：
2).0＜k＜n1时，k号节点的节点方程为：
3)下降管的循环液出口处节点编号为n1号，此时，k＝n1，节点方程为：
其中，
c为循环液质量流量比热容，c1为下降管所在钻孔内填充材料的热容量之和，q为中深层u型井所承担的换热量，预先设定即可，△z为相邻节点的距离步长，△τ为预测未来时刻节点温度时设定的时间步长，r1为下降管中循环液和钻孔孔壁之间的热阻。
水平管内节点的能量控制方程为：
其中c2为单位长度的水平钻孔内回填材料的热容量之和，r2为单位长度的水平钻孔孔壁与循环液之间的热阻，tf2为水平管内循环液的温度值，tb2为水平管钻孔的孔壁岩土的温度值，x为水平管内k号节点的水平向坐标值，τ表示时间。
其中，d2i为水平管内径，d2o为水平管的外径，ρ2c2为水平管的体积比热容，db2为水平钻孔的直径，ρg2cg2为水平管内回填材料的体积比热容，ρwcw为循环液的体积比热容，可预先测量得到。
其中，d2i为水平管内径，d2o为下降管的外径，λp2为水平管的导热系数，λg2为水平管内回填材料的导热系数，h2水平管与循环液的对流换热系数。
c＝mcw(kj/s.k)(11)
m为水平管中循环液的质量流量，cw循环液的比热容。
将公式(9)、(10)、(11)带入公式(8)中，能够得到下降管中每个节点的节点方程。
1).水平管的循环液入口处节点编号为0号，k＝0
0号节点的节点方程为：
2)0＜k＜n2时，k号节点的节点方程为：
3)水平管的循环液出口处节点编号为n2号，此时，k＝n2，节点方程为：
c为循环液质量流量比热容，c2为水平管所在钻孔内填充材料的热容量之和，q为中深层u型井所承担的换热量，△z为相邻节点的距离步长，△τ为预测未来时刻节点温度时设定的时间步长，r2为水平管中循环液和钻孔孔壁之间的热阻。
上升管内的节点能量控制方程为：
其中c3为单位长度的上升钻孔内回填材料的热容量之和，r3为单位长度的上升钻孔孔壁与循环液之间的热阻，tf3为上升管内循环液的温度值，tb3为上升管钻孔的孔壁岩土的温度值，z为上升管内k号节点的竖直向坐标值，τ表示时间。
其中，d3i为上升管内径，d3o为上升管的外径，ρ3c3为上升管的体积比热容，db3为上升钻孔的直径，ρg3cg3为上升管内回填材料的体积比热容，ρwcw为循环液的体积比热容，可预先测量得到。
其中，d3i为上升管内径，d3o为上升管的外径，λp3为上升管的导热系数，λg3为上升管内回填材料的导热系数，h3上升管与循环液的对流换热系数。
c＝mcw(kj/s.k)(18)
m为上升管中循环液的质量流量，cw循环液的比热容。
将公式(16)、(17)、(18)带入公式(15)中，能够得到下降管中每个节点的节点方程。
1).上升管的循环液入口处节点编号为n3号，k＝n3
0号节点的节点方程为：
2)0＜k＜n3时，k号节点的节点方程为：
3)上升管的循环液出口处节点编号为0号，此时，k＝0，节点方程为：
c为循环液质量流量比热容，c3为上升管所在钻孔内填充材料的热容量之和，q为中深层u型井所承担的换热量，△z为相邻节点的距离步长，△τ为预测未来时刻节点温度时设定的时间步长，r3为上升管中循环液和钻孔孔壁之间的热阻。
将公式(5)、公式(6)、公式(7)、公式(12)、公式(13)、公式(14)、公式(19)、公式(20)、公式(21)联立方程组后形成预测模型。
初始时刻为0时刻，即p＝0，利用外部温度采集设备采集0时刻时下降管循环液入口处节点(即下降管0号节点)及下降管0号节点对应的外周钻孔孔壁岩土内节点的温度信息，设定好预测温度的截止时刻(即设定需要进行多少个时间步长的计算)，代入联立后的方程组后，方程组采用追赶法求解下降管、水平管及上升管内所有节点的温度信息及多个步长时刻节点的信息。
本实施例中，节点能量控制方程坐标系z向零点位于地面，x向零点位于下降管和上升管轴线连线的中点。
通过采集一个点的信息，就能够得到循环液多个位置及未来多个时刻的温度信息，方便掌握循环液随温度及位置的变化规律，了解中深层u型井的供热能力。无需配置多个温度检测元件，减少了设备投资。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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