一种岩土分层热物性原位热响应测试方法
【专利摘要】本发明提出了一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，根据该岩土分层热物性原位热响应测试方法，对组装完成的地埋管换热器进行热响应试验，将地埋管参数和相关试验数据带入到计算式中计算出一组循环流体平均温度的理论值，并通过设备测量出一组循环流体平均温度的实际值，对理论值和实际值采用参数估计法进行计算，即可确定岩土分层热物性参数。本发明的岩土分层热物性原位热响应测试方法提出一种柱热源模型，适用于分层热物性参数测试。考虑了沿深度方向钻孔内热阻的变化，沿深度方向钻孔内换热功率的变化，可以精确算出某一层段的岩土热物性参数。
【专利说明】一种岩土分层热物性原位热响应测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地源热泵【技术领域】，特别是指一种岩土分层热物性原位热响应测试方 法。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中，对岩土热物性参数的测试方法均是将形状为U形的地埋管换热器 等效看成一个线源模型，通过测量相关数据计算出线源模型整体的热物性参数，这种模型 方法只能对岩土的热物性参数做出整体的判断。在实际施工时，地埋管换热器的埋设深度 较深，经常在IOOm以上，这导致在地埋管换热器的埋设范围内，岩土的分布类型为不均匀 分布，且地下含水量和地下水渗流速度也各不相同，导致在不同深度的岩土层具有不同的 热物性参数，线源模型无法精确的得出在特定深度的岩土层的热物性参数，对后续的设计 无法提供有用的数据。
[0003] 现有柱热源模型是基于不分层岩土热物性参数测试方法提出的，不能直接套用计 算分层岩土热物性参数。必须在原有基础上进行改进，提出一种新的，适用于分层热物性计 算的模型及方法。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，解决了现有技术中热物性 测试方法不能对指定岩土层的热物性参数进行测量的问题。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 本发明提供了一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，包括如下步骤：
[0007] 第一步，将地埋管换热器与热响应测试仪相连，形成供热回路，并通过分布式光纤 测温系统对地埋管换热器测量，通过热响应测试仪对地埋管换热器进行热响应试验并获得 地埋管换热器内的流量数据，通过分布式光纤测温系统获得地埋管换热器内由上至下的多 个测温点的温度数据；
[0008] 第二步，对温度数据进行整理，以至少5m为单位距离对地埋管换热器从上至下进 行分层，每层的长度为一个或数个单位距离，并将每层内的所有测温点的温度数据归结形 成一个数据组；
[0009] 第三步，建立热柱源模型，将第k层的数据组数据带入计算式：
[0010]
【权利要求】
1. 一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，包括如下步骤： 第一步，将地埋管换热器（1)与热响应测试仪（2)相连，形成供热回路，并通过分布式 光纤测温系统（3)对地埋管换热器（1)测量，通过所述热响应测试仪（2)对地埋管换热器 (1)进行热响应试验并获得所述地埋管换热器（1)内的流量数据，通过所述分布式光纤测 温系统（3)获得所述地埋管换热器（1)内由上至下的多个测温点的温度数据； 第二步，对所述温度数据进行整理，以至少5m为单位距离对地埋管换热器（1)从上至 下进行分层，每层的长度为一个或数个单位距离，并将每层内的所有所述测温点的温度数 据归结形成一个数据组； 第三步，建立热柱源模型，将第k层的数据组数据带入计算式：
通过估算λs、psCs的值算出Tflk的一组理论值，其中， Tflk为第k层地埋管换热器内循环流体的理论平均温度； Ttl为第k层岩土初始温度； Qk为第k层的加热功率，Qk= 1163*G*ΛTk，G为体积流量，ΛTk为第k层的进出口循 环流体平均温度温差； A为地埋管换热器内径；rp为地埋管换热器外径； 为当量管的外半径； L为单位距离的长度； z为傅立叶系数，z = (ast/ (re2)),as= (λs/(csPs))，as为岩土的热扩散系数，λs为 岩土平均导热系数；csPs为岩土容积比热； α ik= (2 3ire2csPs)Z(CCylinder) ' CCyiinder为井孔单位长度热阻；kp为管材的导热系数； C=e〇_5772 =e'C为热流短路修正因数，Y为欧拉常数；h= 2πλsR'g，R'g为单位长度接触热阻； η为地埋管换热器的管数数量。 第四步，通过第k层的数据组算出第k层地埋管换热器内循环流体的实际平均温度 Tf2k ; 第五步，对第三步得出的一组Tflk值和第四步得出的Tf2k值进行参数估计法，计算确定 出λ S、P scs。
2. 根据权利要求1所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，在 第一步中，所述热响应测试仪（2)向所述地埋管换热器（1)内输入恒定热流或恒定冷流。
3. 根据权利要求2所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于， 所述第一步中的所述分布式光纤测温系统（3)包括多条测温光纤，所述测温光纤上每隔 0. 25m设置有一个测温节点，所述地埋管换热器的每根管内均设置有4条所述测温光纤。
4. 根据权利要求1所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，在 第三步前还包括对所述地埋管换热器（1)进行当量处理，所述地埋管换热器（1)和所述当 量管之间存在下列关系：De=V^D〇,其中，Dtl为地埋管换热器（1)的外直径，De为当量管的 当量直径。
5. 根据权利要求1所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，所 述第二步内对所述数据的整理包括：舍弃前10个小时内测得的数据，舍弃距离地面5m内测 得的数据。
6. 根据权利要求5所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，对 所述第三步中的估算，进一步包括：将步骤二中测得的数据带入到计算式中得到Tflk关于 λs、Pscs的一个函数，将csPs在0至5*106之间遍历，λs在〇至10之间遍历，得到Tflk的 一组理论值。
7. 根据权利要求1所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，所 述第四步内通过第k组的数据算出实际值Tf2k进一步包括：通过公式对Tf2k值进行计算： Tf2k = (Tin+T2+T3+……+Twt)/N 其中，Tin为循环水进入第K层时的进入温度， Ttjut为循环水流出第k层时的温度， T2、T3……依次为k层水平线上第二个测温节点集的平均温度数据、K层水平线上第三 个测温节点集的平均温度数据……； N为k层内测温节点集的个数。
8. 根据权利要求1所述的一种岩土分层热物性原位热响应测试方法，其特征在于，所 述参数估计法为最小二乘法，所述最小二乘法进一步包括： 步骤一，对每个Tflk值和实际值Tf2k通过如下公式进行方差和F的计算： F=E(i= 1,M)ITflki-Tf2kJ2 其中M为试验测量数据的组数； 步骤二，比较各Tflk值所得出的F的大小，选出最小F值，最小F值所对应的Tflk值为需 求值； 步骤三，查找与需求值所对应的λs、psCs值，该值即为计算层段的岩土对应的λs、P scs值。
【文档编号】G01N25/20GK104237301SQ201410479673
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】毕文明 申请人:毕文明