专利名称：一种岩土热响应测试方法
技术领域：
本发明属于地源热泵技术领域，涉及一种热响应测试方法。
背景技术：
地源热泵是一种利用地下浅层的热资源，也称地能，包括地下水、土壤或地表水等，通过少量的高位能源如电能，将低温位能向高温位能转移，以实现既可供热又可制冷的高效节能空调过输入系统。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点，冬季把地能作为热泵供暖的热源，即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖，夏季把地能作为空调的冷源，即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。通常地源热泵消耗 IKff的热量，用户可以得到4KW左右的热量或冷量。对于地源热泵工程设计而言，最为关心的是地埋管换热系统的换热能力，这主要反映在地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数、综合比热容、土壤温度、埋管井综合热阻等参数上，由于地质结构的复杂性和差异性，这些物性参数只能通过现场热响应测试得到。试验得到的岩土热物性参数，是一个反映了地下水流等因素影响的综合值。地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005 (2009年版)规定，地源热泵系统应用面积在3000m2以上时，至少设置一个测试孔进行岩土热响应测试；应用面积大于IOOOOm2 时，测试孔数量不应少于2个。目前国内从事热响应测试的企业及研究机构较多，其测试及分析方法几乎完全一样。测试时，通过向地下恒定功率排热，自动记录下地埋管进出口温度，回归出一个温度随时间变化的对数曲线公式，通过线热源理论，从而计算出岩土的导热系数。在《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005 (2009年版)65页最后一段提到反算法推导出岩土热物性参数，方差最小时代入的热物性参数即是所求结果，实际上其代入的是解析解模型，而解析解的基础是要求输入功率稳定，也即输入功率为一常量，而非变量。69页C. 3. 5“在试验过程中，如果要改变加热功率，则需要停止试验，待测试孔内温度恢复至岩土的初始平均温度一致时，才能再进行岩土热响应试验。”另外，65页所提的推导出的岩土热物性参数并不包括钻孔内热阻，热阻的计算通过66-67页理论公式计算，影响理论计算热阻的因素至少十多项，并且许多因素具有不确定性，因此理论计算结果误差很大。通过理论研究以及实际经验，上述方法存在以下弊端1、此方法要求输入功率非常稳定，因为在线热源的推导公式中，输入功率是一个定值。由于在工地现场，经常会出现电压不稳，此方法可能非常不准，甚至无法得到相应热物性参数，如果出现停电现象，将无法分析数据，且由于该测试井已经受到热干扰，短期内不能重新开启测试；2、井内热阻通常采用的是理论方法计算或半经验公式计算，并非通过测试数据求得，误差较大。影响理论计算热阻的因素至少十多项，并且许多因素具有不确定性，因此理论计算结果误差很大。3、土壤热容不能直接求出，通常的办法有两种a.根据地勘报告测出的各深度的岩土属性，分别查阅该这些岩土层的热容，然后加权平均；b.利用线热源理论，在已求得导热系数和井内热阻后，可以用公式直接推导出热容，然而上面已提到上述计算热阻的误差很大，依据误差很大的热阻来推导的热容误差必然也很大。
发明内容
本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种岩土热响应测试方法，该方法在变工况下进行测试得出数据，将传统的传热学理论与计算机技术结合起来，将测试值与理论模型推算值进行对比，用实际测试数据来检测要测试数据的准确性。本发明通过下列技术方案来实现一种岩土热响应测试方法，通过温度传感器测试出地埋管的实测温度值，其特征在于，通过采集控制系统控制加热器输入变化的加热功率，通过流量传感器测量出实际流量值，将上述的实际流量值、加热功率代入线热源或柱热源模型的离散方程中，改变岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻的取值并代入离散方程，求解出地埋管的试算温度值，并将求解出的试算温度值与实测温度值进行对比，多次试算后当试算温度值与实测温度值的方差最小或相关系数最大时，所代入的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻即为所求的参数值。在上述的岩土热响应测试方法中，所述的采集控制系统能够控制加热器按照采集控制系统内设定的时间表输出对应的加热功率。作为第一方案，在上述的岩土热响应测试方法中，所述的温度传感器为两个，分别用于测试地埋管进、出口实测温度值，所述的实测温度值为地埋管进、出口实测温度值的平均值。作为第二方案，在上述的岩土热响应测试方法中，所述的温度传感器为两个，分别用于测试地埋管进、出口实测温度值，所述的实测温度值分别为地埋管进口温度值和地埋管出口温度值，地埋管进、出口试算温度值分别试算，并分别比较进、出口试算温度值与进出、口实测温度值之间的方差或相关系数。在上述的岩土热响应测试方法中，所述的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻三个参数值通过如下步骤得出先在取值范围内给定任意两个参数的初始值第一参数初始值和第二参数初始值，第三个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第三个参数的临时最佳值；然后保持第二个参数的初始值不变，第三个参数为其临时最佳值，第一个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第一个参数的临时最佳值；再取第一个参数和第三个参数分别为其临时最佳值，第二个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第二个参数的临时最佳值；至此完成了第一轮试算；然后按照上述步骤进行第二轮试算，在第二轮试算中，最初假定的第一参数初始值和第二参数初始值分别为第一次试算得到的临时最佳值，其他步骤与第一轮相同；如此反复进行多次试算，直到相邻两轮试算得到的方差或相关系数之间的差值的绝对值小于预设的一个小数后，试算结束，最后得到的临时最佳值即为所求的值。现有技术相比，本发明名称具有以下优点1、线热源或柱热源模型中，输入功率是一个变量，而不是一个常数。因此，电压波
4动，输入功率变化不会对分析结果造成影响。并且，输入功率还可以按照空调实际排热规律来设定，直接模拟在实际变化负荷下的热响应情况。当输入功率设定为0时，即表示土壤热恢复过程。2、该方法不仅可以完全按照规范要求得出土壤的导热系数、井孔热阻、土壤热容等参数，而且可以分别通过线热源理论和柱热源理论，应用试算迭代试算的方法直接通过热响应试验得到导热系数、井孔热阻、土壤热容等参数，减小通过纯理论计算结果的误差。3、既可按照传统测试方法一样，连续输入稳定，又可以输入变化的负荷，直接模拟建筑物变化负荷情况下的土壤温度变化特性。不仅模拟了输入负荷后地下温度上升的情况，而且模拟了当负荷减小或者停止输入负荷的情况下，土壤温度自动恢复的情况。
具体实施例方式
以下是本发明的具体实施例，但本发明并不限于这些实施例。本岩土热响应测试方法所用的热响应测试装置包括水泵、加热器和地埋管依次连接成的液循环回路，地埋管的进出口两端均设有温度传感器和压力表，在液循环回路上还设有流量传感器，加热器为加热功率可调的加热器，且在加热器内设有功率传感器，本热响应测试装置还包括采集控制系统，加热器、功率传感器、温度传感器和流量传感器均与采集控制系统连接，采集控制系统能够采集数据各个传感器的数据并控制加热器进行加热。本岩土热响应测试方法如下通过温度传感器测试出地埋管的实测温度值，温度传感器为两个，分别用于测试地埋管进出口的温度值，实测温度值为两个温度传感器所测温度值的平均值，也可以是两个温度传感器所测的地埋管进口实测温度值和地埋管出口实测温度值。采集控制系统能够控制加热器按照采集控制系统内设定的时间表输出对应的加热功率，通过采集控制系统控制加热器输入变化的加热功率。通过流量传感器测量出实际流量值，将上述的实际流量值、加热功率代入线热源或柱热源模型的离散方程中，改变岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻的取值并代入离散方程，求解出地埋管的试算温度值，并将求解出的试算温度值与实测温度值进行对比，多次试算后当试算温度值与实测温度值的方差最小或相关系数最大时，所代入的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻即为所求的参数值。具体来说，所述的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻三个参数值通过如下步骤得出先在取值范围内给定任意两个参数的初始值第一参数初始值和第二参数初始值，第三个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第三个参数的临时最佳值；然后保持第二个参数的初始值不变，第三个参数为其临时最佳值，第一个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第一个参数的临时最佳值；再取第一个参数和第三个参数分别为其临时最佳值，第二个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第二个参数的临时最佳值；至此完成了第一轮试算；然后按照上述步骤进行第二轮试算，在第二轮试算中，最初假定的第一参数初始值和第二参数初始值分别为第一次试算得到的临时最佳值，其他步骤与第一轮相同；如此反复进行多次试算，直到相邻两轮试算得到的方差或相关系数之间的差值的绝对值小于预设的一个小数后，试算结束，最后得到的临时最佳值即为所求的值。变エ况热响应测试理论模型为为便于建立传热模型与求解，作如下假定1、岩土物性各向同性；2、忽略沿井深 度方向的温差，简化为ニ维传热；3、忽略导热系数等各物性随温度的变化；4、忽略井内的 热容，将井内热阻考虑成常量；5、所得參数均为综合參数，如导热系数已经包含考虑了地下 对流影响；热容已经包含岩土含水量的影响。传热模型可简化为以钻孔壁为柱面热源的无 限大介质中的非稳态热传导。其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为 r n dt /I f d2t 1 dt)— = —I —+ -—Jr > rw, x >0(1)
dt-2n:Ar— = qTr = rw, x > 0(2)
or
tf -t~ = qT T > 0(3)
Kt = tini T = 0 或r —⑴；t = tini r—⑴(4)式中t- 土壤温度，。C ；T -运行时间，s ；p C- 土壌热容，J/m3°C ； A - 土壌平均导热系数，ff/m°C ；Q1-T时刻的排热功率，取热为负，ff/m ;rw-井孔半径，m ；tf_管内平均温度，で；tw_钻孔井壁温度，で；Rw-井孔热阻，m°C /W ；tini_ 土壤初始温度，で。式(1) (4)完整描述了地下换热微分方程、边界条件和初始条件。将式(1) (2)离散为差分方程，输入土壤初始温度tini、系统逐时排热量与取热量qT，在给定X、pC、 Rw这三个參数值时即可求出tf随时间变化的值。通过试算，当计算出的tf与实测tf之间 的方差最小或者相关系数最大吋，试算所代入的这三个參数值即为要求的值。举例说明试算过程先在取值范围内给定PC=P Cq、Rw = Rw,0{t, A在最小值与 最大值之间试算，假定、=、吋，计算出的tf与实测tf之间的方差最小；然后假定入= 入^Rw = Rwitl, PC在最小值与最大值之间试算，假定PC= P C1时，计算出的、与实测、 之间的方差最小；再固定入=A1, pC= PC1, Rw在最小值与最大值之间试算，假定Rw = Rwa时，计算出的tf与实测tf之间的方差最小，在下一轮的试算过程中Rw = Rwao通过多轮 试算，当相邻两轮试算的方差之间的差值小于一个预先设定的小数吋，试算结束，最后得到 的人、PC、Rw即为所求的值。该方法功率是输入量之一，因此不受稳定输入功率的限制，在功率波动的测试条 件下，仍能得出准确的結果，有效地保证了测试结果的准确性、可靠性。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种岩土热响应测试方法，通过温度传感器测试出地埋管的实测温度值，其特征在于，通过采集控制系统控制加热器输入变化的加热功率，通过流量传感器测量出实际流量值，将上述的实际流量值、加热功率代入线热源或柱热源模型的离散方程中，改变岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻的取值并代入离散方程，求解出地埋管的试算温度值，并将求解出的试算温度值与实测温度值进行对比，多次试算当试算温度值与实测温度值的方差最小或相关系数最大时，所代入的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻即为所求的参数值。
2.根据权利要求1所述的岩土热响应测试方法，其特征在于，所述的采集控制系统能够控制加热器按照采集控制系统内设定的时间表输出对应的加热功率。
3.根据权利要求1或2所述的岩土热响应测试方法，其特征在于，所述的温度传感器为两个，分别用于测试地埋管进、出口实测温度值，所述的实测温度值为地埋管进、出口实测温度值的平均值。
4.根据权利要求1或2所述的岩土热响应测试方法，其特征在于，所述的温度传感器为两个，分别用于测试地埋管进、出口实测温度值，所述的实测温度值分别为地埋管进口温度值和地埋管出口温度值，地埋管进、出口试算温度值分别试算，并分别比较进、出口试算温度值与进出、口实测温度值之间的方差或相关系数。
5.根据权利要求1或2所述的岩土热响应测试方法，其特征在于，所述的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻三个参数值通过如下步骤得出先在取值范围内给定任意两个参数的初始值第一参数初始值和第二参数初始值，第三个参数在最小值与最大值之间试算， 将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第三个参数的临时最佳值；然后保持第二个参数的初始值不变，第三个参数为其临时最佳值，第一个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第一个参数的临时最佳值；再取第一个参数和第三个参数分别为其临时最佳值，第二个参数在最小值与最大值之间试算，将试算出的试算温度值与实测温度值之间的方差最小或相关系数最大时的试算取值作为第二个参数的临时最佳值；至此完成了第一轮试算；然后按照上述步骤进行第二轮试算，在第二轮试算中，最初假定的第一参数初始值和第二参数初始值分别为第一次试算得到的临时最佳值， 其他步骤与第一轮相同；如此反复进行多次试算，直到相邻两轮试算得到的方差或相关系数之间的差值的绝对值小于预设的一个小数后，试算结束，最后得到的临时最佳值即为所求的值。
全文摘要
本发明提供了一种岩土热响应测试方法，属于地源热泵技术领域。它解决了现有岩土热响应测试方法理论计算结果误差大的问题。本方法通过温度传感器测试出地埋管的实测温度值，通过采集控制系统控制加热器输入变化的加热功率，通过流量传感器测量出实际流量值，将上述的实际流量值、加热功率代入线热源或柱热源模型的离散方程中，改变岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻的取值并代入离散方程，求解出地埋管的试算温度值，并将求解出的试算温度值与实测温度值进行对比，多次试算后当试算温度值与实测温度值的方差最小或相关系数最大时，所代入的岩土导热系数、岩土热容和井孔热阻即为所求的参数值。该方法在变工况下进行测试得出数据，准确性提高。
文档编号G01N25/20GK102323294SQ20111022366
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者江亚斌 申请人:江亚斌