本发明专利技术提供一种基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法及系统，该方法包括：开展能源桩热响应测试，获取流体进出口温度的实测值；确定能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；在数据时间范围内，基于预设热物性参数的初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值，使流体进出口平均温度的计算值和实测值的差异满足收敛准则。本发明专利技术不需单独开展钻孔热响应测试，可节约测试成本；提出考虑桩内外热物性差异及保护层厚度影响的能源桩传热数学模型，反映早期传热过程，缩短所需的热响应测试时间；采用分步参数估计方法可显著降低测试结果对初始值和取值范围的依赖性，准确测定三个热物性参数。个热物性参数。个热物性参数。
【技术实现步骤摘要】
一种基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法及系统
[0001]本专利技术涉及地源热泵
，尤其涉及一种能源桩热物性参数测定方法及系统。
技术介绍
[0002]能源桩是利用浅层地热能为建筑供暖制冷的一项新兴技术。桩内热阻、岩土热物性是能源桩设计的重要参数，决定能源桩数量、管道构型和布置长度等关键指标。现场热响应测试是测定热物性参数的重要方法，尽管已有较多学者对现场热响应测试进行了研究，但是现有分析热响应测试数据的传热模型只适用于传统的钻孔热交换器，能源桩直径大于钻孔，现有传热模型因忽略桩内外热物性的差异和钢筋保护层厚度而无法反映能源桩早期传热过程，需要的试验时间长，增加了试验成本，结果可靠度低。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供一种能源桩热物性参数测定方法及系统，利用能源桩热响应测试的短期数据，较精确地测定能源桩设计需要的热物性参数，即桩内热阻、桩周土导热系数和桩周土热扩散系数，解决现有技术存在的如上问题和缺陷。
[0004]本专利技术提供一种基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，包括以下步骤：
[0005]S1：开展能源桩热响应测试，获取流体进出口温度的实测值；
[0006]S2：确定基于能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；
[0007]S3：在所述数据时间范围内，基于预设的热物性参数初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值，使流体进出口平均温度的计算值和所述实测值的差异满足收敛准则；所述热物性参数包括桩内热阻、桩周土导热系数和桩周土热扩散系数。
[0008]进一步，所述步骤S2确定所述能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围，包括：根据第二预设公式确定基于能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；所述第二预设公式为：
[0009][0010]其中，r1为所述换热管道所在位置的半径，r2为所述能源桩的半径，a1为混凝土热扩散系数。
[0011]进一步，所述步骤S3中所述能源桩传热数学模型，包括：
[0012]S301：确定所述换热管道所处换热空间的传热偏微分方程和传热约束条件；
[0013]S302：对所述换热空间的传热偏微分方程和传热约束条件进行拉普拉斯变换，得到拉氏空间的传热偏微分方程和传热约束条件；
[0014]S303：根据所述拉氏空间的传热偏微分方程和传热约束条件和贝塞尔函数确定拉氏空间的过余温度解析解；
[0015]S304：对所述拉氏空间的过余温度解析解进行拉普拉斯逆变换，得到换热空间的过余温度解析解；
[0016]S305：根据所述换热空间的过余温度解析解得到所述能源桩传热数学模型；所述能源桩传热数学模型为圆柱面热源在双层复合介质内层传热的数学模型。
[0017]具体的，所述能源桩传热数学模型根据第一预设公式确定所述流体进出口平均温度的计算值；所述第一预设公式为：
[0018][0019][0020][0021]其中，T
f
为流体进出口平均温度，T0为流体进出口初始温度，θ(t，r2)为所述换热空间中桩面的过余温度，t为时间，r2为所述能源桩的半径，q
l
为热响应测试加热功率，R
b
为所述桩内热阻，J
n
()和Y
n
()分别为n阶第一类、第二类贝塞尔函数，n＝0、1，k1为混凝土导热系数，k2为所述桩周土导热系数，a1为混凝土热扩散系数，a2为所述桩周土热扩散系数，λ为积分变量。
[0022]进一步，所述步骤S3在所述数据时间范围内，基于预设的热物性参数初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值之前，还包括：根据所述热物性参数的灵敏度和相关性分析确定分步参数估计顺序为所述桩内热阻、所述桩周土导热系数和所述桩周土热扩散系数，以结合所述分步参数估计顺序确定所述热物性参数的最终估计值。
[0023]进一步，所述步骤S3包括：在所述数据时间范围内，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值，使流体进出口平均温度的计算值和实测值的差异满足收敛准则，具体包括：
[0024]S311：所述数据时间范围包括第一时间段、第二时间段和第三时间段；将桩内热阻的初始值、桩周土导热系数的初始值和桩周土热扩散系数的初始值代入所述能源桩传热数学模型，并采用模式搜索优化算法，以所述第一时间段的流体进出口平均温度的计算值和实测值的均方根误差最小的原则确定所述桩内热阻的估计值；
[0025]S312：将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的初始值和所述桩周土热扩散系数的初始值代入所述能源桩传热数学模型，并采用模式搜索优化算法，以所述第二时间段的流体进出口平均温度的计算值和实测值的均方根误差最小的原则确定所述桩周土导热系数的估计值；
[0026]S313：将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的估计值和所述桩周土热扩散系数的初始值代入所述能源桩传热数学模型，并采用模式搜索优化算法，以所述第三时间段的流体进出口平均温度的计算值和实测值的均方根误差最小的原则确定所述桩周土热扩散系数的估计值；
[0027]S314：将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的估计值和所述桩周土热扩散系数的估计值代入所述能源桩传热数学模型，得到所述流体进出口平均温度的计算值；
[0028]在所述测试时间范围的流体进出口平均温度的计算值和实测值的均方根误差满足所述收敛准则时，将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的估计值和所述桩周土热扩散系数的估计值作为所述热物性参数的最终估计值。
[0029]进一步，所述步骤S3将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的估计值和所述桩周土热扩散系数的估计值代入所述能源桩传热数学模型，得到所述流体进出口平均温度的计算值之后，还包括：在所述测试时间范围的流体进出口平均温度的计算值和实测值的均方根误差不满足所述收敛准则时，将所述桩内热阻的估计值、所述桩周土导热系数的估计值和所述桩周土热扩散系数的估计值作为新一轮优化的热物性参数的初始值，并进入所述将桩内热阻的初始值、所述桩周土导热系数的初始值和所述桩周土热扩散系数的初始值代入所述能源桩传热数学模型的步骤。
[0030]本专利技术还提供一种基于能源桩热响应测试的热物性参数测定系统，包括：测试模块，用于开展能源桩热响应测试，获取流体进出口温度的实测值；测试数据范围确定模块，用于确定所述能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；热物性参数估计模块，用于在所述数据时间范围内，基于预设的热物性参数初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值，使流体进出口平均温度的计算值和所述实测值的差异满足收敛准则；所述热物性参数包括桩内热阻、桩周土导热系数和桩周土热扩散系数。
[0031]本专利技术还提供一种能源桩热响应测试装置，包括依次连接的加热器、循环泵、流量计和温度传感器；所述能源桩本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，其特征在于，包括：开展能源桩热响应测试，获取流体进出口温度的实测值；确定所述能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；在所述数据时间范围内，基于预设的热物性参数初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值，使流体进出口平均温度的计算值和所述实测值的差异满足收敛准则；所述热物性参数包括桩内热阻、桩周土导热系数和桩周土热扩散系数。2.根据权利要求1所述的基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，其特征在于，所述能源桩传热数学模型，包括：确定所述换热管道所处换热空间的传热偏微分方程和传热约束条件；对所述换热空间的传热偏微分方程和传热约束条件进行拉普拉斯变换，得到拉氏空间的传热偏微分方程和传热约束条件；根据所述拉氏空间的传热偏微分方程和传热约束条件和贝塞尔函数确定拉氏空间的过余温度解析解；对所述拉氏空间的过余温度解析解进行拉普拉斯逆变换，得到换热空间的过余温度解析解；根据所述换热空间的过余温度解析解得到所述能源桩传热数学模型；所述能源桩传热数学模型为圆柱面热源在双层复合介质内层传热的数学模型。3.根据权利要求1所述的基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，其特征在于，根据第一预设公式确定所述流体进出口平均温度的计算值；所述第一预设公式为：所述第一预设公式为：所述第一预设公式为：其中，T
f
为流体进出口平均温度，T0为流体进出口初始温度，θ(t，r2)为所述换热空间中桩面的过余温度，t为时间，r2为所述能源桩的半径，q
l
为热响应测试加热功率，R
b
为所述桩内热阻，J
n
()和Y
n
()分别为n阶第一类、第二类贝塞尔函数，n＝0、1，k1为混凝土导热系数，k2为所述桩周土导热系数，a1为混凝土热扩散系数，a2为所述桩周土热扩散系数，λ为积分变量。4.根据权利要求1所述的基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，其特征在于，所述确定所述能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围，包括：根据第二预设公式确定基于能源桩热响应测试的可用于参数测定的数据时间范围；所述第二预设公式为：
其中，r1为所述换热管道所在位置的半径，r2为所述能源桩的半径，a1为混凝土热扩散系数。5.根据权利要求1至4任一项所述的基于能源桩热响应测试的热物性参数测定方法，其特征在于，所述在所述数据时间范围内，基于预设的热物性参数初始值，根据能源桩传热数学模型和分步参数估计方法确定热物性参数的最终估计值前，还包括：根据所述热物性参数的灵敏度和相关性分析确定分步参数估计顺序为所述桩内热阻、所述桩周土导热系数和所述桩周土热扩散系数，以结合所述分步参数估计顺序确定所述热物性参数的最终估...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，曾姝，闫振国，段智博，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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