非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法

2023-10-05 22:05:09

專利名稱：非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法
技術領域：
本發明涉及一種工程現場測試方法，尤其涉及一種非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試 方法。
背景技術：
節能減排是保證社會和諧和經濟可持續發展的一項重要措施，近年來，科技部、建設部 等都把利用淺層地能的地源熱泵技術列入重點推廣的建築節能科技項目。在建築供熱空調中 採用地源熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體C02和其它燃燒產生的
汙染物的排放，是一種可持續發展的建築節能新技術。
地下巖土熱物性參數的測量值決定著地下換熱器所需鑽孔的數量及深度，從而直接影響 著地源熱泵系統的初投資和運行情況。在施工現場進行巖土熱物性的測試是目前世界上最有 效可行的方法。現場直接測量是在地源熱泵工程現場鑽孔並埋設地埋管，地上安裝與地埋管 聯通的測試裝置構成閉合屈路，迴路中充滿水或者其它流體，循環流體被加熱或冷卻並在回
路中循環流動將熱量或冷量釋放給地下巖土，該現場測試工程按國內外規定大約要持續24-72 小時，而且整個測試過程中不能中^，且需加熱或冷卻功率較為恆定。但是在實際的工程施 工現場中，功率恆定條件很難得到滿足例如發生電力供應中斷、大功率工程設備的啟停引 起工地當地電壓的大幅度波動等，而制冷機組在現場向地下釋放冷量更是難以保證功率恆定。 中國專利200610042581.0公開了 一種基於地源熱泵的可攜式巖土熱物性測試儀及其方法 專利，但其也沒有解決測試現場功率的不穩將會導致測試結果產生較大誤差，而停電等將會 導致測試失敗或測試周期大大延長等問題，這通常是設計和施工單位所不能容忍的，而且再 次測試也可能還會遇到新的電力供應等問題。

發明內容
本發明的目的就是針對目前巖土熱物性測試過程中功率不穩，導致測試失敗或測試周期 過長等問題，提供一種具有方法簡單，操作方便，可有效克服電力供應中斷和電壓波動較大 造成的測試不準確等優點的非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案
一種非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法，它的步驟為
1) 在需要測量地下巖土熱物性參數的現場鑽孔並埋設地埋管，地上安裝與地埋管聯通的 測試裝置構成閉合迴路；
2) 在迴路中充滿水或者其它流體，循環流體被加熱或冷卻並在迴路中循環流動將熱量或 冷量釋放給地下巖土；
3) 現場測試時間通常持續24-72小時，選擇適當的時間步長A"c將整個現場測試的時 間劃分為n段，n〉0;
4) 當現場測試所施加的加熱或冷卻功率隨時間進行發生變化時，將這種隨時間進行變化 的熱流用熱流脈衝來進行表示；即一個作用時間在Ti<x<Ti+1之間的單個矩形脈衝可以理解為 兩個階躍熱流疊加而得到的，以此推導出在對應的傳熱模型下管內循環流體在熱流脈衝的影 響下的溫度響應公式
formula see original document page 3(1)
當》。，洲=-》.^^當t〈0, g(i:)=0 ; 其中位(x)-f;必，為指數積分函數。
r產第i個時刻循環水平均溫度，'c; r0=地下巖土初始溫度，°c;
先=地下巖土導熱係數，W/m-'C;
《,第i時刻的熱脈衝，即第i個時刻的單位鑽孔深度加熱或釋冷功率，W/m; "=鑽孔半徑，m;
J o=單位長度鑽孔內熱阻，°C，m/W; 產測試時間，S; r產第i個時刻的時間，S;
地下巖土熱擴散率，m2/s; i-第i個時刻
5)在該數學模型的基礎上，採用參數估計方法獲得巖土熱物性參數。 所述步驟3)中，時間劃分時，先分析出現如電力供應中斷和電壓波動較大等功率不穩
定情況時加熱或製冷功率隨時間的變化規律，按時間劃分成多個區間，每個區間的功率應較
為恆定，加熱或製冷中斷可視為功率為O。 所述現場測試時間通常持續24-72小時。
本發明將地埋管的傳熱過程看成受許多階躍熱流作用，進而將這些階躍熱流分解成多個 熱脈衝的疊加，在此基礎上利用線性疊加原理進行分析和建立數學模型。
本發明的有益效果是大大降低測試時對功率的穩定性要求，使得出現加熱功率或製冷 功率不恆定情況時依然可進行地下巖土熱物性參數的測量，從而大幅縮短測試時間和降低測 試成本。


圖1現場測試流程圖2用矩形熱流脈衝近^l連續變化的熱流； 圖3兩個階躍熱流疊加得到的矩形熱流脈衝； 圖4循環水平均溫度測試結果與計算結果對比圖。 其中，l.鑽孔，2.地下埋管，3.測試儀器。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。 本發明的測試方法為
在現場直接測量是在需要測量地下巖土熱物性參數的現場挖制鑽孔1並埋設地埋管2， 地上安裝與地埋下管2聯通的測試儀器3構成閉合迴路，迴路中充滿水或者其它流體，循環 流體被加熱或冷卻並在迴路中循環流動將熱量或冷量釋放給地下巖土，如附圖1。
現場測試時間大約持續24-72小時，選擇適當的時間步長AT (時間步長即可固定，也可 變化)，將整個現場測試的時間劃分為n段(nM)),當現場測試所施加的加熱或冷卻功率隨 時間進行發生變化(由於斷電或者是電壓不穩等因素)，將這種隨時間進行變化的熱流用一系
列的熱流脈衝來進行表示，如圖2， 一個作用時間在Ti々^w之間的單個矩形脈衝可以理解為
兩個階躍熱流疊加而得到的，如圖3。以此推導出在對應的傳熱模型下管內循環流體在熱流 脈衝的影響下的溫度響應，如公式l。
formula see original document page 4 (1)當"o，洲=—;
當t<o， gW=o 。
其中￡/(x) = f*^，為指數積分函數。
r產第i個時刻循環水平均溫度，'c; r0=地下巖土初始溫度，°c;
Jt-地下巖土導熱係數，W/nr°C;
《,-第i時刻的熱脈衝，即第i個時刻的單位鑽孔深度加熱或釋冷功率，W/m; ^-鑽孔半徑，m;
及0=單位長度鑽孔內熱阻，'C'm/W;
f測試時間，s;
r產第i個時刻的時間，s;
o=地下巖土熱擴散率，m2/s;
i=第i個時刻。
5)在該數學模型的基礎上，採用參數估計方法獲得巖土熱物性參數。
實施例
利用本發明方法對某工地地下巖土熱物性參數進行了測試。本次測試地下埋管深度100 米，地質構成為l-3米為粘土， 3-100米為砂巖。測試開始後約24小時由於供電原因導致 測試儀加熱中斷約40分鐘。後重啟加熱器，繼續測試約4小時後，再次由於供電原因導致加 熱中斷約14小時。此後再次重啟加熱器，繼續測試約6小時後，停止測試。測試結果為地下 巖土平均導熱係數3.18W/m'C,平均容積比熱2.59><106」/巾3'(:。圖4是實際測量埋管循環水 平均溫度隨時間的變化與利用本發明中的數學模型根據測試結果計算得到的循環水平均溫度 的對比。圖4顯示二者重合度較高，說明測試結果比較合理。另外根據手冊"2003ASHRAE Handbook HVAC Applications",砂巖導熱係數範圍為2.1-3.5 W/m'C，容積比熱為1.65-4.67 J/m3'C,利用本發明方法測得的結果亦在該範圍之內，亦說明測試結果比較合理。
權利要求
1. 一種非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法，其特徵是，它的步驟為1)在需要測量地下巖土熱物性參數的現場鑽孔並埋設地埋管，地上安裝與地埋管聯通的測試裝置構成閉合迴路；2)在迴路中充滿水或者其它流體，循環流體被加熱或冷卻並在迴路中循環流動將熱量或冷量釋放給地下巖土；3)現場測試時間持續24-72小時，選擇適當的時間步長△τ將整個現場測試的時間劃分為n段，n>0；4)當現場測試所施加的加熱或冷卻功率隨時間進行發生變化時，將這種隨時間進行變化的熱流用熱流脈衝來進行表示；即一個作用時間在τi<τ<τi+1之間的單個矩形脈衝可以理解為兩個階躍熱流疊加而得到的，以此推導出在對應的傳熱模型下管內循環流體在熱流脈衝的影響下的溫度響應公式當τ＝0，q0＝0；當τ≥0，當τ<0，g(τ)＝0；其中為指數積分函數；Ti＝＝第i個時刻循環水平均溫度，℃；T0＝地下巖土初始溫度，℃；k＝地下巖土導熱係數，W/m·℃；qi＝第i時刻的熱脈衝，即第i個時刻的單位鑽孔深度加熱或釋冷功率，W/m；rb＝鑽孔半徑，m；R0＝單位長度鑽孔內熱阻，℃·m/W；τ＝測試時間，s；τi＝第i個時刻的時間，s；a＝地下巖土熱擴散率，m2/s；i＝第i個時刻；5)在該數學模型的基礎上，採用參數估計方法獲得巖土熱物性參數。
2. 如權利要求1所述的非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法，其特徵是，所述步 驟3)中，時間劃分時，先分析出現如電力供應中斷和電壓波動較大等功率不穩定情況時加 熱或製冷功率隨時間的變化規律，按時間劃分成多個區間，每個區間的功率應較為恆定，加 熱或製冷中斷可視為功率為0。
3. 如權利要求1所述的非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法，其特徵是，將隨時 間進行變化的熱流用熱流脈衝進行表示，而單個熱流脈衝可認為有兩個階躍熱流疊加而成。
全文摘要
本發明公開了一種非恆定功率條件下巖土熱物性現場測試方法。它通過分析出現如電力供應中斷和電壓波動較大等功率不穩定情況時加熱或製冷功率隨時間的變化規律，按時間劃分成多個區間，每個區間的功率應較為恆定(加熱或製冷中斷可視為功率為0)，將地埋管的傳熱過程看成受許多階躍熱流作用，進而將這些階躍熱流分解成多個熱脈衝的疊加，在此基礎上利用線性疊加原理進行分析和建立數學模型，利用該數學模型並結合參數估計等方法可獲得巖土熱物性參數。
文檔編號G01N25/00GK101430317SQ200810238160
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者於明志, 方肇洪, 趙嘯琳, 魏建平 申請人:山東建築大學