CN104317991A - 地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

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***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***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***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。

Description

地源热泵地埋管可靠性设计方法及装置

技术领域

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置。

背景技术

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***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***功能失效或投资偏大。

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。

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***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

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。

一方面，所述地源热泵地埋管可靠性设计方法包括下述步骤：

确定地源热泵地埋管***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***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***的可靠度。

另一方面，所述地源热泵地埋管可靠性设计装置包括：

参数确定单元，用于确定地源热泵地埋管***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***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***的可靠度。

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。

附图说明

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；

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

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。

本发明首先定义地埋管传热***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。

地埋管传热***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***设计寿命时间。“规定条件”是正常设计、施工、使用条件。***耗能通常用***各种性能指标来表示。***实现了规定的性能指标就是“完成”了***的功能要求，否则***丧失了功能。从定义中可以看出，地埋管传热***可靠性设计将充分考虑随机因素。

地源热泵地埋管设计、安装、维护的目的，是为了***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***“效应”适合作为随机变量考虑，反映地源热泵地埋管***安全运行的状况，可用***“效应”与***“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。

地源热泵地埋管地埋管可靠性设计，首先必须确定***随机变量试验资料，得到其分布规律，作为***可靠性分析依据。这些随机变量主要来自三个方面：***冷/热负荷、传热材料性质、地埋管地埋管***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***的负荷效应，同时由实验或统计资料得到***能耗，它是指***应具有供能能力，负荷效应与耗能能力组成***可靠度计算极限状态方程，其中的负荷效应通过***耗能分析获得，据此计算满足***耗能要求的可靠度。工程上可用***可靠指标来反映***的可靠度。因此，可以定义地源热泵地埋管***可靠性如下：

若传热***的功能需求Κ和负荷效应Φ是两个随机变量,地源热泵地埋管***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P_s用下式表示：

P_s＝P(Φ符合功能需求Κ)   (1)

式中P(·)为事件的概率。称P_s为地埋管***的可靠度。地源热泵地埋管***失效的概率P_f可表为：

P_f＝1-P_s   (2)

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。

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。

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：

步骤S101、确定地源热泵地埋管***的随机参数特性。

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***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。

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：

Q＝kFΔT   (3)

式中：Q为随机传热量，k为随机传热系数，ΔT为传热温差。

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。

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—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。

(a)墙体、屋面得热，根据谐波法总冷负荷为：

式中：β_f为得热量中辐射部分所占的比例；β_d为得热量中对流部分所占的比例；ν,μ分别为围护结构和房间的衰减度；ε,ε′分别为围护结构和房间的延迟时间。

(b)通过窗户的得热量，冷负荷通过玻璃窗得热分成传导得热和日射得热。对于日射得热，可表示成谐波的形式，计入房间的衰减和延滞，即可算出相应的负荷。灯光、人员和设备得热引起的负荷灯光、人员和设备的得热量由热源数目、发热量、发热状况进行计算。

使用期在考虑随机因素条件时，得热量可作为随机量看待。由于它只在某一段时间存在，可用单位矩形波S(n/k)把这种得热表示成：

${\mathrm{HG}}_n=\mathrm{qs}\left(\frac{n}{k}\right)---\left(5\right)$

将这种得热展开成傅里叶级数，最后可得相应的负荷为：

式中q为单位时间的随机得热，谐波法以周期性热量为前提，常取周期为24小时进行计算。

(c)测试数据随机统计特征

由现场测试获得一组温度与时间关系的测试数据。即关系式：

T_test＝T(t_test)   (7)

这是随机函数的一个样本(特殊情况下为随机过程(关于时间变量))。可根据这组数据，应用随机分析与随机数值模拟技术，对原始随机函数的整体性质进行估计，并获得T(t_test)的统计特征，即获得其均值与标准差

通过现场测试，可以计算地埋管地埋管的传热系数λ_s及其统计特征。考虑某个确定的函数关系：

$\tilde{T}=\tilde{T}({\mathrm{\λ}}_s,t)---\left(8\right)$

式(8)是随机传热微分方程的解，其中的λ_s是待求解的随机传热系数。设的均值为标准差为将式(8)中的温度场与实际温度场的数值特征进行比较,使得及在范数-2意义下趋于零，即下利式子成立：

${\left|\right|{\mathrm{\μ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\μ}}_{\tilde{T}\left(t\right)}\left|\right|}_2=\min ---\left(9\right)$

${\left|\right|{\mathrm{\σ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\tilde{T}\left(t\right)}\left|\right|}_2=\min ---\left(10\right)$

${\left|\right|f\left(x\right)\left|\right|}_2={\left[\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}f{\left(x\right)}^2\mathrm{dx}\right]}^{1/2}---\left(11\right)$

于是有

${\left|\right|{\mathrm{\μ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\μ}}_{\tilde{T}\left(t\right)}\left|\right|}_2={\left(\underset{\mathrm{\Ω},{\mathrm{\λ}}_s\∈\mathrm{\Λ}}{\∫\∫}{({\mathrm{\μ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\μ}}_{\tilde{T}\left(t\right)})}^2\mathrm{dx}\right)}^{1/2}=\min ---\left(12\right)$

式中，Λ是λ_s随机变量集合。同理有

${\left|\right|{\mathrm{\σ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\tilde{T}\left(t\right)}\left|\right|}_2={\left(\underset{\mathrm{\Ω},{\mathrm{\λ}}_s\∈\mathrm{\Λ}}{\∫\∫}{({\mathrm{\σ}}_{T\left(t_{\mathrm{test}}\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\tilde{T}\left(t\right)})}^2\mathrm{dx}\right)}^{1/2}=\min ---\left(13\right)$

利用(12)和(13)可以获得与实际状况相符合的随机传热系数及其修正后的随机特征及(指标k表示经过k次修正过程)。岩土介质的热阻R_yt的均值与方差为的计算，可以直接应用热阻与传热系数的关系式进行计算获得。基于热阻R_yt或传热系数λ_s，可计算地源热泵地埋管的长度。

步骤S102、确定随机参数的概率分布。

随机参数的概率分布通常是通过随机试验或直接采用工程试验数据进行随机分析得到，在数据不完备情况下可采用随机模拟方法获得参数近似值。通常，确定具体的随机参数、数量，建筑物传热量，地埋管传热量，皆可考虑正态分布，或对数正态分布。

比如，设x_i表示上述各随机变量，则F(x_i)为相应的概率分布函数，则F(x_i)服从正态分布律N(μ_i,σ_i)，其中N(μ_i,σ_i)，μ_i,σ_i分别是x_i的均值与方差。

步骤S103、建立地源热泵地埋管***的可靠性指标。

通过对建筑物的耗能、岩土及回填料热物性、地埋管施工工艺、地源热泵使用工况等因素分析，获得建筑耗能、及***设计的各种参数的统计规律，及其数字特征，获取地源热泵地埋管可靠性指标。对于建筑能耗的统计，可根据建筑暖通空调设计规范及随机统计方法，也可应用随机模拟技术。地下岩土传热性能及热阻等设计参数的计算，可以通过岩土热物性分析，包括回填材料、地埋管材料、钻孔外岩土材料的热物性分析，获取热阻与传导系数的设计参数及其统计规律。

可根据地源热泵地埋管的实际应用状况确定可靠性指标，首先应考虑的是地源热泵地埋管的冷/热负荷、能效比，地源热能储量、及地源热泵地埋管使用寿命等指标。具体可靠性指标，如管长、经济性约束条件、能耗、热平衡、功能要求等等。对于管长L，可以确定可靠性指标ε(通常0＜ε＜0.05)，满足可靠性概率：

P_f(实际工况要求管长<设计管长L)<ε   (14)

式中指标ε是可靠度概率计算值指标。P_f为管长失效概率。

如果还要满足经济性，则考虑约束条件指标：

S.T. P′_f(地埋管***满足经济性)<δ   (15)

式中P′_f是***经济性失效概率。

步骤S104、建立功能状态模型。

本步骤中，根据地源热泵地埋管的随机参数、可靠性指标体系，建立地源热泵换热器***功能状态方程，该方程中应包含岩土热物性、管内热流、几何尺寸、热量(冷量)等参数。

在地源热泵地埋管可靠性设计中，***运行状态对于***功能发挥至关重要，各种状态方程模式及特点是***可靠性设计的基础。地埋管换热极限状态是指换热***出现某种特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求，这种特定状态称为该功能的极限状态。它是区分***工作状态是可靠(有效)或不可靠(失效)的界限。本步骤首先确定地源热泵地埋管***的极限状态，可以分为下列三种类：

(1)传热***换热能力极限状态

这种极限状态对应于***达到最大负荷能力、或出现不适于继续负荷满足功能要求，通常认为***超过了负荷能力的极限状态时，会使整个***的一部分功能失去平衡，从而导致热交换元器件出现损害，或因***过度工作而不适于继续负荷，使得***丧失稳定等。

(2)传热***正常使用极限状态

这种极限状态对应于***功能达到正常使用的某项规定限值，通常认为超过了正常使用极限状态，会影响正常使用或***元器件失效，以至于影响***正常使用或耐久性能。

(3)传热***环境因素影响极限状态

环境因素影响主要指偶然作用，如极端气候、地震灾害、局部***、撞击、地质变形的影响，当***在环境影响过后，其功能负荷的极限状态。这类极限状态对于***的可靠性分析十分重要。

在传热***可靠性分析中，***极限状态可通过功能函数来描述，当有N个随机影响因素时，***功能函数定义为：

Z＝g(X₁,X₂,…,X_n)   (16)

式中X_i(i＝1,2,…,n)为基本随机变量，它们是传热***有关的负荷、材料热物性参数、地下埋管布置的几何参数等。当Z＞0，表示***处于安全可靠状态；当Z＝0，表示***处于极限状态；当Z＜0，表示***处于失效状态。方程：

Z＝g(X₁,X₂,…,X_n)＝0   (17)

称为***的极限状态方程。

对于极限状态，如果令Κ为***功能要求，Φ为***耗能状态，则地埋管热交换***的功能函数为：

Z＝g(K,Φ)＝K-Φ   (18)

由于X_i为随机变量，K和Φ也可以看作是随机变量，因此随机过程Z也表示为随机变量。

***功能函数Z＜0的概率，称该***失效概率，记为P_f，可由下式表示：

$P_f=P(Z<0)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{F}_K\left(X\right)f_{\mathrm{\&Phi;}}\left(X\right)\mathrm{dX}---\left(19\right)$

式中F_K(X)为K的概率分布函数，f_Φ(X)为***耗能响应Φ的概率密度函数。

常用的地埋管极限状态方程有：

$L_c=\frac{1000Q_c(R_P+R_S{F}_c)({\mathrm{COP}}_c+1)}{{\mathrm{COP}}_c(t_{\max }-t_H)}---\left(20\right)$

式中，L_c为按照制冷工况确定的地埋管换热器所需的长度(m)；Q_c为夏季建筑设计最大冷负荷(kw)；F_c为制冷运行系数，它考虑了热泵间歇运行的影响，F_c为一个制冷季中热泵的运行小时数/(一个制冷季天数×24)，或当运行时间取一个月时，F_c为最热月份运行小时数/(最热月份天数×24)；t_max为热泵机组制冷时冷凝器设计最大进液温度，可取37～40.6℃；COP_c为在t_max下热泵机组的制冷性能系数；t_H为全年岩土最高温度，取决于设计地点和埋管深度；R_P为管道热阻(mk/w)；R_S为岩土热阻(mk/w)。

步骤S105、根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管***的可靠度。

由上述过程获得的参数，计算出***的可靠度。设计依据应以可靠度指标及使用寿命为界限，据此计算出较为合理的地源热泵换热器埋管几何尺寸和地下空间布局。

以地源热泵使用功能和经济性为指标，按可靠性概念，地埋管换热器管长L设计，即使得L满足以下概率：

P_f(L符合条件L_Φ)＜ε   (21)

式中，ε为失效概率指标，L_Φ为换热器耗能量指标，L为换热器设计值(地埋管长度)。

实际上，***功能要求就是***的耗能量。运用可靠性设计时，首先要确定两类随机变量的数字特征。一类就是***的耗能量，另一类则是***在设计耗能量下的换热器管长。考虑L_Φ为具有耗能功能要求的地埋管长度，则当L_Φ＜L时的可靠性概率设计，实际上是考虑当

P_f(L_Φ＜L)＜ε   (22)

即***以较大概率满足能耗使用要求，而以较小概率不满足***的能耗要求。

下面以换热量指标为例，建立可靠性分析基本方法。考虑地源热泵的热负荷指标为Q，设计换热量为Q_h,则Q_h应满足设计要求:

Q_h≥Q   (23)

在实际运行当中，Q与Q_h都应作为随机变量考虑。可靠性设计的概念是，***在规定的时间、规定的条件下，完成预定功能的概率(可靠度)，并以概率的大小作为设计的标准或指标。假设Q_h与Q相互独立，且f(q_h)和f(q)分别是Q_h和Q的概率分布密度函数，则：

$P(Q_h<Q)={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left[{\&Integral;}_0^{q}f\left(q_h\right)f\left(q\right){\mathrm{dq}}_h\right]\mathrm{dq}={\&Integral;}_0^{\&infin;}f\left(q\right)\left[{\&Integral;}_0^{q}f\left(q_h\right){\mathrm{dq}}_h\right]\mathrm{dq}---\left(24\right)$

当Q_h与Q为正态分布，令Z＝Q_h-Q，则Z服从正态分布则Z＝Q_h-Q＜0为***失效事件。且Z的均值与标准差分别为 ${\mathrm{\&sigma;}}_Z=\sqrt{{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{Q_h}^2}.$ ***的失效概率为:

$\begin{array}{c}{P}_f=P(Q_h<Q)=P(Q_h-Q<0)=P(Z<0)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{0}f\left(z\right)\mathrm{dz}\\ =(1/\left(\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_Z\right)){\&Integral;}_{-\&infin;}^0\left\{\exp \right[{(z-{\mathrm{\&mu;}}_Z)}^2/\left(2{\mathrm{\&sigma;}}_Z^2\right)\left]\right\}\mathrm{dz}\end{array}---\left(25\right)$

令t＝[z-μ_Z]/σ_Z，则

$P_f=(1/\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\frac{-{\mathrm{\&mu;}}_Z}{{\mathrm{\&sigma;}}_Z}}\left[\exp (t^2/2)\right]\mathrm{dz}=\mathrm{\&Phi;}(-{\mathrm{\&mu;}}_Z/{\mathrm{\&sigma;}}_Z)---\left(26\right)$

式中Φ(·)为标准正态分布函数。故有

$P_f=1-\mathrm{\&Phi;}({\mathrm{\&mu;}}_Z/{\mathrm{\&sigma;}}_Z)=1-\mathrm{\&Phi;}(({\mathrm{\&mu;}}_{Q_h}-{\mathrm{\&mu;}}_Q)/\sqrt{{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{Q_h}^2})---\left(27\right)$

令 $\mathrm{\&beta;}=({\mathrm{\&mu;}}_{Q_h}-{\mathrm{\&mu;}}_Q)/\sqrt{{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+{\mathrm{\&sigma;}}_{Q_h}^2},$ 则有

P_f＝1-Φ(μ_Z/σ_Z)＝1-Φ(β)   (28)

称β为***的可靠度指标。β是一无量纲量，它是度量***可靠性的数值指标，是失效概率的度量。可靠度指标β＝Z_μ/σ_z是在Q_h与Q都是正态分布变量的条件下得到的。如果Q_h与Q是非正态分布，但如果能够计算出Z的均值与标准差，则仍然可用β的定义式计算出β的近似值供工程设计参考。

考虑管长L的表达式如下:

L＝f(Q,R_p,R_s,t_L,t_min,t_H,t_max,COP)   (29)

取t_L,t_min,t_H,t_max,COP为常数。则管长L仅为Q,R_p,R_s的函数：

L＝f(Q,R_p,R_s)   (30)

式中与岩土热阻R_s有关的岩土传热系数为λ_s，它的获得是通过试验测定。

地源热泵地埋管在岩土中的传热是一种复杂的传热过程，在空间上具有三维特征，在时间上具有非稳态传热性质，而且影响因素较多。因此，常规设计中一般以半经验公式进行设计计算。目前，主要有两种设计计算方法。即以单个钻孔的传热分析为基础计算，以及按现场测试获得的单位钻孔深度的换热量求取。无论哪种计算方法，都是确定性设计计算方法，这种方法都没有较好的考虑随机因素的影响。以单个钻孔的传热分析计算方法为例，在制冷工况下，地埋管长度的计算公式(20)所示。

在可靠性设计中，必须确定Q_c与R_S的数字特征，设Q_c与R_S是服从正态分布的随机变量，均值和标准差分别为μ_Q、σ_Q与可求出Z的均值与标准差分别为：

${\mathrm{\&mu;}}_Z={\mathrm{AL}}_c-B{\mathrm{\&mu;}}_Q-C{\mathrm{\&mu;}}_Q{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}---\left(31\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_Z=\sqrt{B^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+C^2({\mathrm{\&sigma;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2)}---\left(32\right)$

式中，A＝COP_c(t_max-t_H)(COP_c+1)，Z＝AL_c-BQ_c-CQ_cR_s，δ为变异系数，δ_Q＝σ_Q/μ_Q,B＝1000R_P，C＝1000F_c。

***失效概率为：

P_f＝P(Z＜0)＝1-Φ(μ_Z/σ_Z)＝1-Φ(β)   (33)

从而可得：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_Z}{{\mathrm{\&sigma;}}_Z}=\frac{{\mathrm{AL}}_c-{\mathrm{B\&mu;}}_Q-{\mathrm{C\&mu;}}_Q{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}}{\sqrt{B^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+C^2({\mathrm{\&sigma;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2)}}---\left(34\right)$

通过式(34)可以给出***的可靠度指标，进而可以计算在给定可靠度指标条件下的地埋管长度设计值。

本实施例方法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。

另外，本实施例还提供了一种地源热泵地埋管可靠性设计装置，如图2所示，所述装置包括：

参数确定单元21，用于确定地源热泵地埋管***的随机参数特性；

概率分布确定单元22，用于确定随机参数的概率分布；

可靠性建立单元23，用于建立地源热泵地埋管***的可靠性指标；

模型建立单元24，用于建立功能状态模型；

可靠度计算单元25，用于根据所述功能状态模型计算地源热泵地埋管***的可靠度。

其中，所述参数确定单元21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。

其中，所述模型建立单元24包括：

极限状态确定模块，用于确定地源热泵地埋管***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其中L_c为按照制冷工况确定的地埋管地埋管所需的长度；R_c为夏季建筑设计最大冷负荷；F_c为制冷运行系数，F_c为一个制冷季中热泵的运行小时数/(一个制冷季天数×24)，或当运行时间取一个月时，F_c为最热月份运行小时数/(最热月份天数×24)；t_max为热泵机组制冷时冷凝器设计最大进液温度；COP_c为在t_max下热泵机组的制冷性能系数；t_H为全年岩土最高温度；R_P为管道热阻；R_s为岩土热阻。

作为一种具体实现方式，所述地源热泵地埋管***的可靠度 $\mathrm{\&beta;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_Z}{{\mathrm{\&sigma;}}_Z}=\frac{{\mathrm{AL}}_c-{\mathrm{B\&mu;}}_Q-{\mathrm{C\&mu;}}_Q{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}}{\sqrt{B^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+C^2({\mathrm{\&sigma;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2)}};$ 其中A＝COP_c(t_max-t_H)(COP_c+1)，B＝1000R_P，C＝1000F_c，μ_Q、σ_Q是Q_c的均值和标准差，是R_S的均值和标准差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

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***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***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***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***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***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；

计算地埋管极限状态模型其中L_c为按照制冷工况确定的地埋管地埋管所需的长度；R_c为夏季建筑设计最大冷负荷；F_c为制冷运行系数，F_c为一个制冷季中热泵的运行小时数/(一个制冷季天数×24)，或当运行时间取一个月时，F_c为最热月份运行小时数/(最热月份天数×24)；t_max为热泵机组制冷时冷凝器设计最大进液温度；COP_c为在t_max下热泵机组的制冷性能系数；t_H为全年岩土最高温度；R_P为管道热阻；R_s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***的可靠度 $\mathrm{\&beta;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_Z}{{\mathrm{\&sigma;}}_Z}=\frac{{\mathrm{AL}}_c-{\mathrm{B\&mu;}}_Q-C{\mathrm{\&mu;}}_Q{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}}{\sqrt{B^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+C^2({\mathrm{\&sigma;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_{R_S}^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2)}};$

其中A＝COP_c(t_max-t_H)(COP_c+1)，B＝1000R_P，C＝1000F_c，μ_Q、σ_Q是Q_c的均值和标准差，是R_S的均值和标准差。

5.一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***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***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***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***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其中L_c为按照制冷工况确定的地埋管地埋管所需的长度；R_c为夏季建筑设计最大冷负荷；F_c为制冷运行系数，F_c为一个制冷季中热泵的运行小时数/(一个制冷季天数×24)，或当运行时间取一个月时，F_c为最热月份运行小时数/(最热月份天数×24)；t_max为热泵机组制冷时冷凝器设计最大进液温度；COP_c为在t_max下热泵机组的制冷性能系数；t_H为全年岩土最高温度；R_P为管道热阻；R_s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***的可靠度 $\mathrm{\&beta;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_Z}{{\mathrm{\&sigma;}}_Z}=\frac{{\mathrm{AL}}_c-{\mathrm{B\&mu;}}_Q-C{\mathrm{\&mu;}}_Q{\mathrm{\&mu;}}_{R_s}}{\sqrt{B^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2+C^2({\mathrm{\&sigma;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_Q^2{\mathrm{\&sigma;}}_{R_s}^2+{\mathrm{\&mu;}}_{R_S}^2{\mathrm{\&sigma;}}_Q^2)}};$

其中A＝COP_c(t_max-t_H)(COP_c+1)，B＝1000R_P，C＝1000F_c，μ_Q、σ_Q是Q_c的均值和标准差，是R_S的均值和标准差。