【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及地源熱泵，更具體地說，涉及一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法。
技術(shù)介紹
1、淺層套管型地埋管換熱器(以下簡稱為淺層套管型地埋管)可有效開采地?zé)崮埽渑c熱泵結(jié)合所組成的地源熱泵可為我國冬季供暖提供一套低碳節(jié)能的解決方案。土壤熱導(dǎo)率是淺層套管型地埋管性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。土壤熱導(dǎo)率會(huì)隨深度變化而變化，其常見的測量方法為分布式熱響應(yīng)測試。
2、2018年2月，《太陽能學(xué)報(bào)》第39卷第2期第468-474頁，朱秉森、畢文明、郭建峰和李忠蘭公開了一篇名為“分層熱物性測試在熱泵工程的應(yīng)用分析”的文章，該文章以工程場地淺層u型地埋管測試孔內(nèi)巖土體垂直分布的熱物性參數(shù)為研究對(duì)象。在傳統(tǒng)熱物性測試儀器中加入分布式光纖測溫系統(tǒng)，進(jìn)行巖土體初溫測試和熱物性測試，測定不同深度巖土體初溫和加熱試驗(yàn)中不同深度循環(huán)流體平均溫度，并與傳統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示，分層熱物性測試結(jié)果較為準(zhǔn)確，可分析巖土體垂直方向溫度分布，進(jìn)而得出地埋管換熱器在垂直方向上導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)。
3、2020年12月，年永樂、王湘陽和程文龍公開了一項(xiàng)名為“一種巖土熱導(dǎo)率分布的熱響應(yīng)測試方法”的專利技術(shù)專利(申請(qǐng)?zhí)枺?02011578350.8)，該專利首先通過考慮巖土深度方向上的傳熱，建立埋管換熱器的多維瞬態(tài)傳熱模型，模擬換熱器中流體的縱向溫度分布曲線，然后通過實(shí)驗(yàn)測試換熱器中不同深度的流體溫度分布數(shù)據(jù)，最后利用多目標(biāo)優(yōu)化算法并直接采用流體溫分布數(shù)據(jù)同時(shí)預(yù)測出多空間層內(nèi)的巖土熱導(dǎo)率分布數(shù)據(jù)。利用該專利測試出的巖土熱導(dǎo)率分布
4、2022年10月，張長興、魯佳輝、路希正和劉玉峰公開了一項(xiàng)名為“一種基于地質(zhì)分層的巖土熱物性參數(shù)辨識(shí)方法”的專利技術(shù)專利(申請(qǐng)?zhí)枺?02211256562.3)，該專利通過構(gòu)建地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫芈窆軗Q熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)待辨識(shí)巖土進(jìn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中獲取地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈鳒囟葌鞲衅鞯膶?shí)測溫度值，再基于地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠糜邢拊M軟件構(gòu)建巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬模型，利用巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型模擬熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，獲取各溫度傳感器不同時(shí)刻的模擬溫度，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，并利用l-m算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，確定待辨識(shí)巖土熱物性參數(shù)的最優(yōu)解。該專利將巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬方法相結(jié)合，真實(shí)還原了地埋管換熱器的工況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層巖土熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，為指導(dǎo)地埋管換熱器的設(shè)計(jì)方案奠定了基礎(chǔ)。
5、2023年4月，《太陽能學(xué)報(bào)》第44卷第4期第259-265頁，鄧臻鵬、年永樂、程文龍公開了一篇名為“基于三維drtr傳熱模型的地源熱泵土壤熱導(dǎo)率測試方法研究”的文章，該文章提出了一種新型土壤熱導(dǎo)率測試方法。為進(jìn)一步提升土壤熱導(dǎo)率測試精度和效率，基于建立的三維分布式熱響應(yīng)測試(dtrt)理論模型，結(jié)合粒子群算法提出一種新型土壤熱導(dǎo)率的dtrt測試方法，并基于該方法對(duì)土壤熱導(dǎo)率的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究。首先針對(duì)u型埋管換熱器建立dtrt三維傳熱分析模型，然后通過建立dtrt實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得流體溫度數(shù)據(jù)并驗(yàn)證建立的傳熱模型，同時(shí)利用建立的模型計(jì)算分析土壤熱導(dǎo)率、管間距和加熱功率對(duì)流體溫度的影響，最后基于不同時(shí)間和深度的溫度數(shù)據(jù)并采用粒子群算法對(duì)土壤熱導(dǎo)率隨時(shí)間變化和空間分布規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，建立的dtrt理論模型具有較高精度，流體進(jìn)出口溫度的平均分析誤差約為0.5℃；利用不同深度的溫度數(shù)據(jù)預(yù)測出的土壤熱導(dǎo)率穩(wěn)定性較好，最大偏差僅為1.49％；不同時(shí)間土壤熱導(dǎo)率的預(yù)測結(jié)果收斂性也較好，在5h和20h下的測試結(jié)果偏差僅為4.67％。此外，土壤熱導(dǎo)率預(yù)測結(jié)果與參考值吻合度較高，說明該文提出的方法可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)不同深度的土壤熱導(dǎo)率進(jìn)行有效預(yù)測。
6、然而，僅有第2篇文獻(xiàn)對(duì)套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法進(jìn)行了闡述，并且其精度有賴于提前獲得土壤體積比熱容的數(shù)值，而其他文獻(xiàn)均僅針對(duì)u型地埋管。第1篇文獻(xiàn)采用傳統(tǒng)的換熱模型分析淺層單u型地埋管分布式熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，其應(yīng)用于淺層套管型地埋管時(shí)存在較大誤差。第2、3、4篇文獻(xiàn)均采用較為復(fù)雜的二維或三維數(shù)值換熱模型分析分布式熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，其存在建模復(fù)雜、優(yōu)化算法復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間較長的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、1.要解決的技術(shù)問題
2、為了解決當(dāng)前淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法建模復(fù)雜、優(yōu)化算法復(fù)雜或精度較低的問題，本專利技術(shù)提出了一種測量淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布的新方法。該方法通過開展分布式熱響應(yīng)測試、逐層構(gòu)建一維換熱模型，逐層對(duì)一維換熱模型及相應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而反推各層土壤熱導(dǎo)率，得到土壤熱導(dǎo)率隨深度的分布，為淺層套管型地埋管的性能評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要基礎(chǔ)。
3、2.技術(shù)方案
4、為了解決上述問題，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案如下：
5、本專利技術(shù)的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，包括如下步驟：對(duì)淺層套管型地埋管開展分布式熱響應(yīng)測試，獲得相應(yīng)的流體溫度分布、加熱功率、流量等實(shí)測數(shù)據(jù)，并在豎直方向上對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層；依次對(duì)各層的環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到其線性關(guān)系式的斜率；依次對(duì)各層構(gòu)建一維換熱模型，分別用于模擬各層環(huán)空流體平均溫度并計(jì)算其關(guān)于時(shí)間的自然對(duì)數(shù)的線性擬合關(guān)系式的斜率；對(duì)于任意層，以基于該層一維換熱模型模擬數(shù)據(jù)的線性擬合關(guān)系式的斜率與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的斜率的絕對(duì)偏差為該層的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算最小目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的土壤熱導(dǎo)率，即為最終所測量的該層土壤熱導(dǎo)率；通過上述步驟，依次計(jì)算各層土壤熱導(dǎo)率。
6、更進(jìn)一步地，對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層，步驟如下：設(shè)定豎直方向上的內(nèi)管流體及環(huán)空流體的溫度測點(diǎn)數(shù)目均為n，則將整個(gè)淺層套管型地埋管沿豎直方向上分為(n-1)層，使得每層的頂部和底部各有1個(gè)內(nèi)管流體溫度測點(diǎn)和1個(gè)環(huán)空流體溫度測點(diǎn)。
7、更進(jìn)一步地，對(duì)任意第n層環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，步驟如下：
8、(1)計(jì)算各測試時(shí)刻的第n層環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值，即第n個(gè)和第(n+1)個(gè)環(huán)空流體溫度測點(diǎn)所測量的溫度平均值，其中自上而下對(duì)溫度測點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)；
9、(2)采用最小二乘法，對(duì)15h至總測試時(shí)長τtrt時(shí)間范圍內(nèi)的第n層環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到該線性擬合關(guān)系式的斜率kn,e。
10、更進(jìn)一步地，構(gòu)建任意第n層的一維換熱模型，步驟如下：
11、為了簡化第n層的換熱問題，假設(shè)如下：設(shè)定土壤及回填土中的傳熱為徑向一維傳熱，并且其中的換熱熱阻可采用復(fù)合介質(zhì)柱熱源模型進(jìn)行計(jì)算；將內(nèi)管流體及環(huán)空流體均假設(shè)為含有內(nèi)熱源的零維物體，其內(nèi)部溫度均勻，并且其內(nèi)熱源強(qiáng)度可根據(jù)分布式熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；忽略內(nèi)管及外管的熱容；
12、第n層的一維換熱模型的方程包括：
13、...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)淺層套管型地埋管開展分布式熱響應(yīng)測試，并在豎直方向上對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層；依次對(duì)各層的環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到其線性關(guān)系式的斜率；依次對(duì)各層構(gòu)建一維換熱模型，分別用于模擬各層環(huán)空流體平均溫度并計(jì)算其關(guān)于時(shí)間的自然對(duì)數(shù)的線性擬合關(guān)系式的斜率；對(duì)于任意層，以基于該層一維換熱模型模擬數(shù)據(jù)的線性擬合關(guān)系式的斜率與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的斜率的絕對(duì)偏差為該層的目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最小目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的土壤熱導(dǎo)率，即為最終所測量的該層土壤熱導(dǎo)率；通過上述步驟，依次測量各層土壤熱導(dǎo)率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層，步驟如下：設(shè)定豎直方向上的內(nèi)管流體及環(huán)空流體的溫度測點(diǎn)數(shù)目均為N，則將整個(gè)淺層套管型地埋管沿豎直方向上分為(N-1)層，使得每層的頂部和底部各有1個(gè)內(nèi)管流體溫度測點(diǎn)和1個(gè)環(huán)空流體溫度測點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)任意第n層環(huán)空流體平均溫度實(shí)測
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：構(gòu)建任意第n層的一維換熱模型，步驟如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：任意第n層的目標(biāo)函數(shù)為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)任意第n層的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并計(jì)算第n層土壤熱導(dǎo)率，步驟如下：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)淺層套管型地埋管開展分布式熱響應(yīng)測試，并在豎直方向上對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層；依次對(duì)各層的環(huán)空流體平均溫度實(shí)測值與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到其線性關(guān)系式的斜率；依次對(duì)各層構(gòu)建一維換熱模型，分別用于模擬各層環(huán)空流體平均溫度并計(jì)算其關(guān)于時(shí)間的自然對(duì)數(shù)的線性擬合關(guān)系式的斜率；對(duì)于任意層，以基于該層一維換熱模型模擬數(shù)據(jù)的線性擬合關(guān)系式的斜率與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的斜率的絕對(duì)偏差為該層的目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最小目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的土壤熱導(dǎo)率，即為最終所測量的該層土壤熱導(dǎo)率；通過上述步驟，依次測量各層土壤熱導(dǎo)率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種淺層套管型地埋管土壤熱導(dǎo)率分布測量方法，其特征在于：對(duì)淺層套管型地埋管進(jìn)行分層，步驟如下：設(shè)定豎直方向上的內(nèi)管流體及環(huán)空流體...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王昌龍，蔣天茁，郭艷春，周興，孫彥紅，魯月紅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：安徽工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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