一种岩土分层热物性原位热响应测试方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种岩土分层热物性原位热响应测试方法
本专利技术涉及地源热泵
，特别是指一种岩土分层热物性原位热响应测试方法。
技术介绍
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100m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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术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：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；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；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、ρscs的值算出Tf1k的一组理论值，其中，Tf1k为第k层地埋管换热器内循环流体的理论平均温度；T0为第k层岩土初始温度；Qk为第k层的加热功率，Qk＝1163*G*ΔTk，G为体积流量，ΔTk为第k层的进出口循环流体平均温度温差；ri为地埋管换热器内径；rp为地埋管换热器外径；re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＝(asτ/(re2))，as＝(λs/(csρs)),as为岩土的热扩散系数，λs为岩土平均导热系数；csρs为岩土容积比热；α1k＝(2πre2csρs)/(ccylinder)，ccylinder为井孔单位长度热阻；kp为管材的导热系数；C＝e0.5772＝eγ，C为热流短路修正因数，γ为欧拉常数；h＝2πλsR’g，R’g为单位长度接触热阻；n为地埋管换热器的管数数量。第四步，通过第k组的数据组算出第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Tf1k值和第四步得出的Tf2k值进行参数估计法，计算确定出λs、ρscs。进一步地，在第一步中，热响应测试仪向地埋管换热器内输入恒定热流或恒定冷流。进一步地，第一步中的分布式光纤测温系统包括多条测温光纤，测温光纤上每隔0.25m设置有一个测温节点，地埋管换热器的每根管内均设置有4条测温光纤。进一步地，在第三步前还包括对地埋管换热器进行当量处理，地埋管换热器和当量管之间存在下列关系：其中，D0为地埋管换热器的外直径，De为当量管的当量直径。进一步地，第二步内对数据的整理包括：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。进一步地，对第三步中的估算，进一步包括：将步骤二中测得的数据带入到计算式中得到Tf1k关于λs、ρscs的一个函数，将csρs在0至5*106之间遍历，λs在0至10之间遍历，得到Tf1k的一组理论值。进一步地，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+……+Tout)/N其中，Tin为循环水进入第K层时的进入温度，Tout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。进一步地，参数估计法为最小二乘法，最小二乘法进一步包括：步骤一，对每个Tf1k值和实际值Tf2k通过如下公式进行方差和F的计算：F＝∑(i＝1，M){Tf1ki－Tf2ki}2其中M为试验测量数据的组数；步骤二，比较各Tf1k值所得出的F的大小，选出最小F值，最小F值所对应的Tf1k值为需求值；步骤三，查找与需求值所对应的λs、ρscs值，该值即为计算层段的岩土对应的λs、ρscs值。本专利技术的岩土分层热物性原位热响应测试方法，按深度对地埋管换热器进行分层处理并对每一层的数据分别进行记录，当需要对特定深度岩土层的热物性参数进行测量时，可将与特定深度岩土层所对应的相关分层试验数据及地埋管参数带入到公式中进行相应的计算，得出特定深度岩土层的热物性参数。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术岩土分层热物性原位热响应测试方法的实施例的连接设备示意图；图2为图1的岩土分层热物性原位热响应测试方法的实施例的计算程序流程图；图3为图1的岩土分层热物性原位热响应测试方法的时间－温度曲线示意图；以及图4为图1的岩土分层热物性原位热响应测试方法的第k层的温度测量示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本实施例的岩土分层热物性原位热响应测试方法包括如下步骤：第一步，如图1所示，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地埋管换热器内的流量数据，通过分布式光纤测温系统3获得地埋管换热器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组数据组的数据带入计算式：通过估算λs、ρscs的值算出Tf1k的一组理论值；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Tf1k值和第四步得出的Tf2k值进行参数估计法，计算确定出λs、ρscs。本实施例的岩土分层热物性原位热响应测试方法，将地埋管换热器1看成等效的当量圆柱管，地埋管换热器1和当量圆柱管之间存在关系式其中，D0为地埋管换热器1的外直径，De为当量管的当量直径。对于当量圆柱管，利用Carslaw提出的模型，满足表达式一：Tp－T0＝(Q/λsL)*G(z，p),为了修正地埋管换热器1中两支管本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：Tf1k=T0+Qk(14πrih+12πkplnnrpnrp-(rp-ri))1.7πreL+Qk4πλsL(2h+ln4zC-4h-α1k2α1kZ+α1k-22α1kZln4zC),]]>通过估算λs、ρscs的值算出Tf1k的一组理论值，其中，Tf1k为第k层地埋管换热器内循环流体的理论平均温度；T0为第k层岩土初始温度；Qk为第k层的加热功率，Qk＝1163*G*ΔTk，G为体积流量，ΔTk为第k层的进出口循环流体平均温度温差；ri为地埋管换热器内径；rp为地埋管换热器外径；re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/(csρs)),as为岩土的热扩散系数，λs为岩土平均导热系数；csρs为岩土容积比热；α1k＝(2πre2csρs)/(ccylinder)，ccylinder为井孔单位长度热阻；kp为管材的导热系数；C＝e0.5772＝eγ，C为热流短路修正因数，γ为欧拉常数；h＝2πλsR’g，R’g为单位长度接触热阻；n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Tf1k值和第四步得出的Tf2k值进行参数估计法，计算确定出λs、ρscs。...

【技术特征摘要】
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、ρscs的值算出Tf1k的一组理论值，其中，Tf1k为第k层地埋管换热器内循环流体的理论平均温度；T0为第k层岩土初始温度；Qk为第k层的加热功率，Qk＝1163*G*ΔTk，G为体积流量，ΔTk为第k层的进出口循环流体平均温度温差；ri为地埋管换热器内径；rp为地埋管换热器外径；re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＝(asτ/(re2))，as＝(λs/(csρs)),as为岩土的热扩散系数，λs为岩土平均导热系数；csρs为岩土容积比热；α1k＝(2πre2csρs)/(ccylinder)，ccylinder为井孔单位长度热阻；kp为管材的导热系数；C＝e0.5772＝eγ，C为热流短路修正因数，γ为欧拉常数；h＝2πλsR’g，R’g为单位长度接触热阻；n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Tf1k值和第四步得出的Tf2k值进行参数估计法，计算确定出λs、ρscs。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕文明，
申请(专利权)人：毕文明，
类型：发明
国别省市：北京;11