地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于地源熱泵【技術(shù)領(lǐng)域】，提供一種地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法及裝置，所述方法包括：確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性；確定隨機(jī)參數(shù)的概率分布；建立地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；建立功能狀態(tài)模型；根據(jù)所述功能狀態(tài)模型計(jì)算地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度。本發(fā)明依據(jù)建筑物的構(gòu)造、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型等因素，建立耗能量隨機(jī)模型及分布規(guī)律，在可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)約束條件下，依據(jù)耗能量指標(biāo)，地埋管與巖土的隨機(jī)傳熱性能，考慮地埋管尺寸、回填料、環(huán)境條件，對(duì)地埋管地埋管進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，為地源熱泵地埋管設(shè)計(jì)提供了一種可靠方案。
【專利說明】地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地源熱泵【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法及 裝直。

【背景技術(shù)】
[0002] 地源熱泵地埋管的設(shè)計(jì)是地源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)，由于地下巖土性質(zhì)的復(fù)雜性，使 得地埋管設(shè)計(jì)無法滿足工程需要。地源熱泵地埋管與巖土耦合，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜與隨機(jī)特 性，在地下傳熱過程中表現(xiàn)出顯著的不確定性。當(dāng)考慮材料多孔性和復(fù)雜工況條件時(shí)，巖土 介質(zhì)熱物性參數(shù)固有的隨機(jī)屬性不可忽略。由于地源熱泵地埋管地埋管工作環(huán)境極其復(fù) 雜，現(xiàn)有地埋管傳熱設(shè)計(jì)方法過于簡單，致使地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果出現(xiàn)較大偏差，阻 礙了地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用。很明顯，在影響地源熱泵地埋管的諸多因素中，巖土導(dǎo)熱系 數(shù)、隨季節(jié)變化地源熱（冷）采用量、地下導(dǎo)熱及埋管流體熱交換都具有隨機(jī)性。因此，現(xiàn) 有的設(shè)計(jì)方法可能使得地源熱泵換熱系統(tǒng)功能失效或投資偏大。
[0003] 巖土介質(zhì)熱物性、密度、溫濕度，埋管材料性質(zhì)、管徑、管中流體物性、流速等諸多 因素對(duì)傳熱的影響，在研究時(shí)通常使用簡化模型。國際上，至今還沒有一致公認(rèn)的地埋管地 埋管設(shè)計(jì)方法。地埋管傳熱模型是該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)，但是實(shí)用傳熱模型的研究卻一直是 地源熱泵空調(diào)技術(shù)的難點(diǎn)。
[0004] 20世紀(jì)40年代，歐美各國開始注重地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)地埋管與巖土的傳熱 模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。代表性的有1948年Ingersoll和Plass根據(jù)Kelvin線源概念，提 出了地埋管傳熱的線熱源理論，目前大多數(shù)地源熱泵地埋管的設(shè)計(jì)皆以該理論為基礎(chǔ)。國 內(nèi)對(duì)地源熱泵的應(yīng)用研究、尤其是理論探索起步較晚，20世紀(jì)末至今，國內(nèi)的學(xué)者和工程技 術(shù)人員對(duì)地源熱泵地埋管的傳熱機(jī)理、理論分析、及工程實(shí)踐進(jìn)行了初步研究工作，取得了 一定的成績。包括機(jī)理分析、傳熱模型分析理論、計(jì)算模擬方法、設(shè)計(jì)方法等。然而，上述方 法基本上都是確定性理論與計(jì)算方法，無法準(zhǔn)確解釋具有隨機(jī)因素的地下傳熱問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法及裝 置，旨在提供一種地源熱泵地埋管設(shè)計(jì)方案。
[0006] -方面，所述地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法包括下述步驟：
[0007] 確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性；
[0008] 確定隨機(jī)參數(shù)的概率分布；
[0009] 建立地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；
[0010] 建立功能狀態(tài)模型；
[0011] 根據(jù)所述功能狀態(tài)模型計(jì)算地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度。
[0012] 另一方面，所述地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)裝置包括：
[0013] 參數(shù)確定單元，用于確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性；
[0014] 概率分布確定單元，用于確定隨機(jī)參數(shù)的概率分布；
[0015] 可靠性建立單元，用于建立地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；
[0016] 模型建立單元，用于建立功能狀態(tài)模型；
[0017] 可靠度計(jì)算單元，用于根據(jù)所述功能狀態(tài)模型計(jì)算地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠 度。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明充分考慮巖土結(jié)構(gòu)就物理性質(zhì)的隨機(jī)性、地質(zhì)環(huán)境 與流體介質(zhì)傳熱、應(yīng)用隨機(jī)分析方法，考慮含有隨機(jī)參量的地源熱地埋管隨機(jī)傳熱模型，據(jù) 此，獲得地源熱泵熱能儲(chǔ)量及可持續(xù)利用量隨機(jī)分布狀態(tài)，作為可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立可靠 性設(shè)計(jì)理論體系。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 本發(fā)明首先定義地埋管傳熱系統(tǒng)可靠性，依據(jù)建筑物的構(gòu)造、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型 等因素，建立耗能量隨機(jī)模型及分布規(guī)律，在可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)約束條件下，依據(jù)耗 能量指標(biāo)，地埋管與巖土的隨機(jī)傳熱性能，考慮地埋管尺寸、回填料、環(huán)境條件，對(duì)地埋管地 埋管進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
[0023] 地埋管傳熱系統(tǒng)可靠性定義是：在規(guī)定時(shí)間和條件下，滿足預(yù)定功能之能力。"規(guī) 定時(shí)間"是系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命時(shí)間。"規(guī)定條件"是正常設(shè)計(jì)、施工、使用條件。系統(tǒng)耗能通常用 系統(tǒng)各種性能指標(biāo)來表示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)定的性能指標(biāo)就是"完成"了系統(tǒng)的功能要求，否 則系統(tǒng)喪失了功能。從定義中可以看出，地埋管傳熱系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)將充分考慮隨機(jī)因素。
[0024] 地源熱泵地埋管設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的目的，是為了系統(tǒng)在設(shè)計(jì)壽命期安全可靠穩(wěn)定 運(yùn)行。應(yīng)用可靠性理論與方法，首先需對(duì)地源熱泵地埋管建立可靠性指標(biāo)體系。如地源熱 泵地下?lián)Q熱量、地下熱源（冷源）穩(wěn)定性、地源熱泵空調(diào)能效比等功能指標(biāo)，這些指標(biāo)可以 作為確定性指標(biāo)，也可作為隨機(jī)量指標(biāo)。而設(shè)計(jì)的地源熱泵地埋管在運(yùn)行中所處的實(shí)際工 況，即系統(tǒng)"效應(yīng)"適合作為隨機(jī)變量考慮，反映地源熱泵地埋管系統(tǒng)安全運(yùn)行的狀況，可用 系統(tǒng)"效應(yīng)"與系統(tǒng)"能力"之間的某種關(guān)系來確定。如果是閥值關(guān)系，則可以用超越概率 來描述，如果是區(qū)間或集合關(guān)系，則可用交集的概率來描述。
[0025] 地源熱泵地埋管地埋管可靠性設(shè)計(jì)，首先必須確定系統(tǒng)隨機(jī)變量試驗(yàn)資料，得到 其分布規(guī)律，作為系統(tǒng)可靠性分析依據(jù)。這些隨機(jī)變量主要來自三個(gè)方面：系統(tǒng)冷/熱負(fù) 荷、傳熱材料性質(zhì)、地埋管地埋管系統(tǒng)布置與幾何尺寸。這些隨機(jī)變量大多呈正態(tài)分布、對(duì) 數(shù)正態(tài)分布和極值型分布。它們的統(tǒng)計(jì)特征量是均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)偏度或變異系數(shù)等。然 后，計(jì)算得到系統(tǒng)的負(fù)荷效應(yīng)，同時(shí)由實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)資料得到系統(tǒng)能耗，它是指系統(tǒng)應(yīng)具有供 能能力，負(fù)荷效應(yīng)與耗能能力組成系統(tǒng)可靠度計(jì)算極限狀態(tài)方程，其中的負(fù)荷效應(yīng)通過系 統(tǒng)耗能分析獲得，據(jù)此計(jì)算滿足系統(tǒng)耗能要求的可靠度。工程上可用系統(tǒng)可靠指標(biāo)來反映 系統(tǒng)的可靠度。因此，可以定義地源熱泵地埋管系統(tǒng)可靠性如下：
[0026] 若傳熱系統(tǒng)的功能需求K和負(fù)荷效應(yīng)Φ是兩個(gè)隨機(jī)變量，地源熱泵地埋管系統(tǒng) 在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，符合規(guī)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( ·)為事件的概率。稱Ps為地埋管系統(tǒng)的可靠度。地源熱泵地埋管系統(tǒng) 失效的概率Pf可表為：
[0029]Pf =I-Ps (2)
[0030] 為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來進(jìn)行說明。
[0031] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法的流程，為了便 于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。
[0032] 本實(shí)施例提供的地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法包括下述步驟：
[0033] 步驟S101、確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性。
[0034] 地源熱泵地埋管隨機(jī)因素應(yīng)包括：巖土參數(shù)及其熱物性、地源溫度場分布、地埋管 幾何尺寸及空間布局、地埋管內(nèi)流熱特征、及地源熱量（冷量）采取的隨機(jī)量等。對(duì)于系統(tǒng) 而言，可考慮地埋管連接方式、使用壽命隨機(jī)性。建筑空調(diào)負(fù)荷是一個(gè)復(fù)雜、多因素影響的 過程，它既受室內(nèi)外的環(huán)境影響還受到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特性影響。在滿足室內(nèi)環(huán)境舒適度 情況下，保證最節(jié)能方案是地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的原則。
[0035] 空調(diào)區(qū)的得熱量主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨機(jī)傳熱量，透過外窗進(jìn)入的太陽輻射量，人體、 照明、設(shè)備等內(nèi)部熱源的散熱量，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量，由下列傳熱理論計(jì)算公式確 定：
[0036] Q=kFΔT(3)
[0037] 式中：Q為隨機(jī)傳熱量，k為隨機(jī)傳熱系數(shù)，ΛT為傳熱溫差。
[0038] 本步驟中，首先利用諧波反應(yīng)法確定建筑得熱量；然后計(jì)算測試數(shù)據(jù)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特 征。
[0039] 建筑物在室外空氣綜合溫度作用下形成空調(diào)負(fù)荷有兩個(gè)過程：一是室外綜合溫度 作用（外擾）產(chǎn)生室內(nèi)得熱量；另一個(gè)是室內(nèi)得熱量經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)家俱等吸熱、放熱， 最后形成冷負(fù)荷的過程。兩者的共同點(diǎn)是熱量具有周期性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)熱量具有衰減和延 遲作用。當(dāng)室外綜合溫度作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，其內(nèi)表面溫度和熱流將產(chǎn)生衰減和延遲。 該熱流值即為室內(nèi)得熱量，其中對(duì)流部分，直接變?yōu)槭覂?nèi)冷負(fù)荷；輻射部分經(jīng)室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu) 的吸熱一放熱反應(yīng)后再形成冷負(fù)荷，該負(fù)荷也表現(xiàn)出衰減和延遲特征。因此，衰減度和延遲 時(shí)間是諧波法的兩個(gè)重要參數(shù)，它們可以通過求解導(dǎo)熱微分方程求得。對(duì)于多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)， 衰減度是多層衰減度之積，延遲時(shí)間是各層延遲時(shí)間之和。
[0040](a)墻體、屋面得熱，根據(jù)諧波法總冷負(fù)荷為：

【權(quán)利要求】
1. 一種地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括： 確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性； 確定隨機(jī)參數(shù)的概率分布； 建立地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)； 建立功能狀態(tài)模型； 根據(jù)所述功能狀態(tài)模型計(jì)算地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度。
2. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特 性步驟，具體包括： 利用諧波反應(yīng)法確定建筑得熱量； 計(jì)算測試數(shù)據(jù)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特征。
3.如權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，所述建立功能狀態(tài)模型步驟，具體包括： 確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的極限狀態(tài)，所述極限狀態(tài)包括換熱能力極限狀態(tài)、正常使 用極限狀態(tài)和環(huán)境因素影響極限狀態(tài)； r IOOOO(RP + R,F )(COP+1) 計(jì)算地埋管極限狀態(tài)模型4 =--^rnnif ' ^ ,其中L。為按照制 冷工況確定的地埋管地埋管所需的長度；R。為夏季建筑設(shè)計(jì)最大冷負(fù)荷；F。為制冷運(yùn)行系 數(shù)，F(xiàn)。為一個(gè)制冷季中熱泵的運(yùn)行小時(shí)數(shù)八一個(gè)制冷季天數(shù)X24)，或當(dāng)運(yùn)行時(shí)間取一個(gè) 月時(shí)，F(xiàn)。為最熱月份運(yùn)行小時(shí)數(shù)八最熱月份天數(shù)Χ24) ;tmax為熱泵機(jī)組制冷時(shí)冷凝器設(shè)計(jì) 最大進(jìn)液溫度；C0P。為在tmax下熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)；tH為全年巖土最高溫度；Rp為管 道熱阻；RS為巖土熱阻。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，所述地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度
其中A=C0Pc(tmax-tH) (C0Pc+l)，B=IOOORp,C= 1000F。，μQ、σq是Qc 的均值和標(biāo)準(zhǔn) 差，夂 7&是Rs的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
5. -種地源熱泵地埋管可靠性設(shè)計(jì)裝置，其特征在于，所述裝置包括： 參數(shù)確定單元，用于確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的隨機(jī)參數(shù)特性； 概率分布確定單元，用于確定隨機(jī)參數(shù)的概率分布； 可靠性建立單元，用于建立地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)； 模型建立單元，用于建立功能狀態(tài)模型； 可靠度計(jì)算單元，用于根據(jù)所述功能狀態(tài)模型計(jì)算地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度。
6. 如權(quán)利要求5所述裝置，其特征在于，所述參數(shù)確定單元包括： 得熱量確定模塊，用于利用諧波反應(yīng)法確定建筑得熱量； 特征計(jì)算模塊，用于計(jì)算測試數(shù)據(jù)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特征。
7.如權(quán)利要求6所述裝置，其特征在于，所述模型建立單元包括： 極限狀態(tài)確定模塊，用于確定地源熱泵地埋管系統(tǒng)的極限狀態(tài)，所述極限狀態(tài)包括換 熱能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和環(huán)境因素影響極限狀態(tài)； 極限狀態(tài)模型計(jì)算模塊，用于計(jì)算地埋管極限狀態(tài)模型rIOOOO(Rp+R,F)(COP+1) 4=--rnPit'-i\ '--，其中L。為按照制冷工況確定的地埋管地埋管所 L(.y/r(fniax -?π ) 需的長度；R。為夏季建筑設(shè)計(jì)最大冷負(fù)荷；F。為制冷運(yùn)行系數(shù)，F(xiàn)。為一個(gè)制冷季中熱泵的運(yùn) 行小時(shí)數(shù)八一個(gè)制冷季天數(shù)X24)，或當(dāng)運(yùn)行時(shí)間取一個(gè)月時(shí)，F(xiàn)。為最熱月份運(yùn)行小時(shí)數(shù) 八最熱月份天數(shù)X24) ;tmax為熱泵機(jī)組制冷時(shí)冷凝器設(shè)計(jì)最大進(jìn)液溫度；C0P。為在tmax下 熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)；tH為全年巖土最高溫度；Rp為管道熱阻；RS為巖土熱阻。
8.如權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述地源熱泵地埋管系統(tǒng)的可靠度
其中A=C0Pc(tmax-tH) (C0Pc+l)，B=IOOORp,C= 1000F。，μQ、σq是Qc的均值和標(biāo)準(zhǔn) 差，As、是Rs的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104317991SQ201410533047
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】王小年, 管昌生, 劉鴻, 常明 申請(qǐng)人:中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司