用于地埋管换热器中断热响应测试的参数反演方法及系统

本发明属于地源热泵技术应用与节能的，具体涉及获得中断热响应测试的地埋管换热器参数方法的。

背景技术：

1、地埋管换热器的现场热响应测试是获得当地岩土表观热物性的主要方法，是大规模地源热泵系统设计前必须开展的工作。热响应测试通常要求测试时长≥48小时。原位测试的现场情况复杂，经常发生测试期间电源意外中断而导致测试停止的事故。

2、若测试中途中断，有两种潜在的应对方案：一是等待土壤温度恢复到测试前的初始温度后，重新进行热响应测试。由于地下岩土温度恢复过程缓慢，重新测试将严重影响了现场施工进度。二是停止测试，仅使用断电前获取的数据估计地下岩土热物性。通过热响应测试计算岩土热物性是一种参数估计问题，属于典型的导热反问题，存在求解过程不适定的问题，即参数反演解的存在性、唯一性和稳定性的问题。热响应测试中断导致的测试数据减少、测试时间缩短，使得反演不适定的问题更加严重，国内尚无合适的参数估计算法解决这一问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可用于地埋管换热器中断热响应测试的参数反演方法及系统。该方法可在供电恢复后，无需等待地下岩土温度恢复至初始水平，直接恢复热响应测试，并能利用中断前后的测试数据，准确地估计土壤及回填材料热物性等多个参数。

2、本发明的技术方案如下：

3、用于地埋管换热器中断热响应测试的参数反演方法，其包括：

4、s1：获得预埋的u型地埋管换热器的已知物理参数；

5、s2：通过原位热响应测试测得该u型地埋管换热器中循环流体平均温度即流体温度实测值，及其随时间变化的曲线，即循环流体的温度-时间测试曲线，根据对该测试曲线的数值求导，获得温度对时间的数值导数，即温度导数实测值；

6、s3：确定待估参数的种类和赋予其初始值，将获得的已知物理参数和待估计参数的初始值输入地埋管换热器传热模型中，获得不同传热时间下的循环流体的温度响应值和温度对时间或时间对数的导数值，即流体温度计算值和温度导数计算值；

7、s4：基于所述流体温度实测值与所述流体温度计算值，和所述温度导数实测值与所述温度导数计算值，并结合正则化处理，构建单目标优化函数；

8、s5：基于所述单目标优化函数，通过优化算法获得所述待估计参数的最佳估计结果，即所述待估计参数的反演值。

9、根据本发明的一些具体实施方式，所述原位热响应测试通过移动热响应测试仪实现。

10、根据本发明的一些具体实施方式，所述单目标优化函数选自所述流体温度实测值和所述流体温度计算值之差的二范数的平方与所述温度导数实测值和所述温度导数计算值之差的二范数的平方及正则化项，即温度项和导数项及正则化项，或所述温度项和导数项的加权组合。

11、根据本发明的一些具体实施方式，所述加权组合中，温度项与导数项各自的权重通过所述流体温度实测值的不确定度及所述温度导数实测值的不确定度确定。

12、根据本发明的一些具体实施方式，所述单目标优化函数设置如下：

13、

14、其中w1为所述流体温度实测值的不确定度，w2为所述温度导数实测值的不确定度，y为所述流体温度实测值，tf(β)为所述流体温度计算值，表示基于流体温度测量值使用中心差分法计算得到的所述温度导数实测值，表示通过对时间对数偏导得到的所述温度导数计算值，t表示时间，||||2表示二范数。

15、或，根据本发明的一些具体实施方式，所述单目标优化函数设置如下：

16、

17、其中，β表示待估计参数的向量，β0表示其初始值，γ表示正则化参数。

18、根据本发明的一些具体实施方式，所述地埋管换热器传热模型为基于复合介质的无限长线热源模型。

19、根据本发明的一些具体实施方式，所述地埋管换热器传热模型为如下的复合介质的无限长线热源模型：

20、

21、

22、φ＝akjn(urb)j’n(aurb)-j’n(urb)jn(aurb)

23、ψ＝akjn(urb)y’n(aurb)-j’n(urb)yn(aurb)

24、f＝akyn(urb)j’n(aurb)-y’n(urb)jn(aurb)

25、g＝akyn(urb)y’n(aurb)-y’n(urb)jn(aurb)

26、

27、其中，g(t)表示从u型管外壁至半无限大介质的非稳态传热过程的热响应函数；kb表示回填材料导热系数；ab表示回填材料热扩散系数；u表示积分变量；t表示时间；i表示求和指标；ra＝d-ro和rb＝d+ro为以钻孔圆心为坐标原点的两个计算点的径向坐标；j2i表示2i阶贝塞尔函数；d表示u型管圆心的径向坐标；k、a为无量纲参数，k＝ks/kb，a＝(ab/as)1/2，as表示土壤热扩散系数；jn和yn分别表示第一类和第二类n阶bessel函数；jn’和yn’分别表示jn和yn的一阶导数；rb表示钻孔半径；tf为循环流体温度；t0为土壤的初始温度；ql表示单位长度换热器的热流密度(w/m)；n表示钻孔内u型管数；rp表示管子热阻；kp是u型管导热系数；ro和ri分别是u型管的内外径；α表示管内对流传热系数。

28、根据本发明的一些具体实施方式，所述已知物理参数包括：土壤和回填材料的初始温度t0，地埋管钻孔外径rb、钻孔长度l，地埋管外径ro、内径ri、圆心距2d、管壁导热系数kp，循环流体的体积热容cf、体积流量vf，加热器平均加热率q。

29、根据本发明的一些具体实施方式，所述待估计参数包括以下参数中的一种或多种：岩土导热系数ks，岩土体积热容cs，回填材料导热系数kb，和回填材料体积热容cb。

30、根据本发明的一些具体实施方式，所述s3具体包括：

31、s31：建立基于复合介质的无限长线热源模型，根据该模型获得循环流体的温度对时间的导数的解析解模型；

32、s32：通过所述已知物理参数和所述待估计参数的初始值对所述解析解模型中的模型参数进行赋值，根据赋值后的解析解模型获得循环流体的温度-时间响应函数，根据该响应函数获得所述流体温度计算值及所述温度导数计算值。

33、根据本发明的一些具体实施方式，s31中所述解析解模型包括中断热响应测试前的解析解模型和中断热响应测试后继续测试得到的解析解模型，其中：

34、所述中断热响应测试前的解析解模型如下：

35、

36、

37、

38、所述中断热响应测试后继续测试得到的解析解模型如下：

39、

40、g2(t)＝g(t)-g(t-t1)+g(t-t2)

41、

42、

43、

44、

45、φ＝akjn(urb)j’n(aurb)-j’n(urb)jn(aurb)

46、ψ＝akjn(urb)y’n(aurb)-j’n(urb)yn(aurb)

47、f＝akyn(urb)j’n(aurb)-y’n(urb)jn(aurb)

48、g＝akyn(urb)y’n(aurb)-y’n(urb)jn(aurb)；

49、

50、根据本发明的一些具体实施方式，所述s2具体包括：

51、s21根据所述原位热响应测试中获得的不同测试时间下循环流体的温度数据，采用一定的时间间隔，通过多种不同的数值求导公式获得测试时间间隔内循环流体温度对时间的导数，即所述温度导数实测值，并计算各公式获得的温度导数实测值的不确定度。

52、根据本发明的一些具体实施方式，所述s21具体包括：

53、s211：根据测试所得的循环流体温度响应的时变特性与不确定度，选取一定的时间间隔用于数值求导；

54、s212：在选定的时间间隔下，采用3种或以上的具有相同误差精度的数值求导公式，进行温度对时间的求导，获得的数值导数即所述温度导数实测值；

55、s213：计算不同求导公式获得的数值导数的期望、方差，根据所得期望和方差获得其不确定度，即所述温度导数实测值的不确定度。

56、本发明进一步提供了一种地埋管换热器多参数协同反演的正则化系统，其包括：一个或多个处理器及用于存储一个或多个程序的存储器，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，所述一个或多个处理器可执行上述任一参数反演方法。

57、本发明具有以下有益效果：

58、(1)本发明创新性地将地埋管换热器传热模型、温度导数模型与正则化有机结合，能有效解决地埋管换热器多参数反演的不适定性问题，其不仅能充分利用早期高敏感性的热响应测试数据，当被中断的热响应测试的电源恢复后，可直接继续进行测试而无需等待，提高了现场热响应测试的效率和参数估计的可靠性。

59、(2)在一些具体实施方式中，本发明进一步将温度导数加入到复合介质的无限长线热源模型和tikhonov正则化的反演算法中来解决反演问题的不适定性，在缩短现场热响应测试时间的同时得到可靠的、稳定的结果。

60、(3)在一些具体实施方式中，本发明利用短时模型使短时高敏感性数据能够用于参数反演，且正则化方法可以抑制数据噪声的影响，从而获得平滑稳定的近似解。