專利名稱：非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程現(xiàn)場測試方法，尤其涉及一種非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試 方法。
背景技術(shù)：
節(jié)能減排是保證社會和諧和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施，近年來，科技部、建設(shè)部 等都把利用淺層地能的地源熱泵技術(shù)列入重點(diǎn)推廣的建筑節(jié)能科技項(xiàng)目。在建筑供熱空調(diào)中 采用地源熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體C02和其它燃燒產(chǎn)生的
污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。
地下巖土熱物性參數(shù)的測量值決定著地下?lián)Q熱器所需鉆孔的數(shù)量及深度，從而直接影響 著地源熱泵系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行情況。在施工現(xiàn)場進(jìn)行巖土熱物性的測試是目前世界上最有 效可行的方法?，F(xiàn)場直接測量是在地源熱泵工程現(xiàn)場鉆孔并埋設(shè)地埋管，地上安裝與地埋管 聯(lián)通的測試裝置構(gòu)成閉合屈路，回路中充滿水或者其它流體，循環(huán)流體被加熱或冷卻并在回
路中循環(huán)流動將熱量或冷量釋放給地下巖土，該現(xiàn)場測試工程按國內(nèi)外規(guī)定大約要持續(xù)24-72 小時，而且整個測試過程中不能中^，且需加熱或冷卻功率較為恒定。但是在實(shí)際的工程施 工現(xiàn)場中，功率恒定條件很難得到滿足例如發(fā)生電力供應(yīng)中斷、大功率工程設(shè)備的啟停引 起工地當(dāng)?shù)仉妷旱拇蠓炔▌拥龋评錂C(jī)組在現(xiàn)場向地下釋放冷量更是難以保證功率恒定。 中國專利200610042581.0公開了 一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法 專利，但其也沒有解決測試現(xiàn)場功率的不穩(wěn)將會導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，而停電等將會 導(dǎo)致測試失敗或測試周期大大延長等問題，這通常是設(shè)計(jì)和施工單位所不能容忍的，而且再 次測試也可能還會遇到新的電力供應(yīng)等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對目前巖土熱物性測試過程中功率不穩(wěn)，導(dǎo)致測試失敗或測試周期 過長等問題，提供一種具有方法簡單，操作方便，可有效克服電力供應(yīng)中斷和電壓波動較大 造成的測試不準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)的非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法，它的步驟為
1) 在需要測量地下巖土熱物性參數(shù)的現(xiàn)場鉆孔并埋設(shè)地埋管，地上安裝與地埋管聯(lián)通的 測試裝置構(gòu)成閉合回路；
2) 在回路中充滿水或者其它流體，循環(huán)流體被加熱或冷卻并在回路中循環(huán)流動將熱量或 冷量釋放給地下巖土；
3) 現(xiàn)場測試時間通常持續(xù)24-72小時，選擇適當(dāng)?shù)臅r間步長A"c將整個現(xiàn)場測試的時 間劃分為n段，n〉0;
4) 當(dāng)現(xiàn)場測試所施加的加熱或冷卻功率隨時間進(jìn)行發(fā)生變化時，將這種隨時間進(jìn)行變化 的熱流用熱流脈沖來進(jìn)行表示；即一個作用時間在Ti<x<Ti+1之間的單個矩形脈沖可以理解為 兩個階躍熱流疊加而得到的，以此推導(dǎo)出在對應(yīng)的傳熱模型下管內(nèi)循環(huán)流體在熱流脈沖的影 響下的溫度響應(yīng)公式
<formula>formula see original document page 3</formula>(1)
當(dāng)》。，洲=-》.^^當(dāng)t〈0, g(i:)=0 ; 其中位(x)-f;必，為指數(shù)積分函數(shù)。
r產(chǎn)第i個時刻循環(huán)水平均溫度，'c; r0=地下巖土初始溫度，°c;
先=地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/m-'C;
《,第i時刻的熱脈沖，即第i個時刻的單位鉆孔深度加熱或釋冷功率，W/m; "=鉆孔半徑，m;
J o=單位長度鉆孔內(nèi)熱阻，°C，m/W; 產(chǎn)測試時間，S; r產(chǎn)第i個時刻的時間，S;
地下巖土熱擴(kuò)散率，m2/s; i-第i個時刻
5)在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)估計(jì)方法獲得巖土熱物性參數(shù)。 所述步驟3)中，時間劃分時，先分析出現(xiàn)如電力供應(yīng)中斷和電壓波動較大等功率不穩(wěn)
定情況時加熱或制冷功率隨時間的變化規(guī)律，按時間劃分成多個區(qū)間，每個區(qū)間的功率應(yīng)較
為恒定，加熱或制冷中斷可視為功率為O。 所述現(xiàn)場測試時間通常持續(xù)24-72小時。
本發(fā)明將地埋管的傳熱過程看成受許多階躍熱流作用，進(jìn)而將這些階躍熱流分解成多個 熱脈沖的疊加，在此基礎(chǔ)上利用線性疊加原理進(jìn)行分析和建立數(shù)學(xué)模型。
本發(fā)明的有益效果是大大降低測試時對功率的穩(wěn)定性要求，使得出現(xiàn)加熱功率或制冷 功率不恒定情況時依然可進(jìn)行地下巖土熱物性參數(shù)的測量，從而大幅縮短測試時間和降低測 試成本。


圖1現(xiàn)場測試流程圖2用矩形熱流脈沖近^l連續(xù)變化的熱流； 圖3兩個階躍熱流疊加得到的矩形熱流脈沖； 圖4循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比圖。 其中，l.鉆孔，2.地下埋管，3.測試儀器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。 本發(fā)明的測試方法為
在現(xiàn)場直接測量是在需要測量地下巖土熱物性參數(shù)的現(xiàn)場挖制鉆孔1并埋設(shè)地埋管2， 地上安裝與地埋下管2聯(lián)通的測試儀器3構(gòu)成閉合回路，回路中充滿水或者其它流體，循環(huán) 流體被加熱或冷卻并在回路中循環(huán)流動將熱量或冷量釋放給地下巖土，如附圖1。
現(xiàn)場測試時間大約持續(xù)24-72小時，選擇適當(dāng)?shù)臅r間步長AT (時間步長即可固定，也可 變化)，將整個現(xiàn)場測試的時間劃分為n段(nM)),當(dāng)現(xiàn)場測試所施加的加熱或冷卻功率隨 時間進(jìn)行發(fā)生變化(由于斷電或者是電壓不穩(wěn)等因素)，將這種隨時間進(jìn)行變化的熱流用一系
列的熱流脈沖來進(jìn)行表示，如圖2， 一個作用時間在Ti々^w之間的單個矩形脈沖可以理解為
兩個階躍熱流疊加而得到的，如圖3。以此推導(dǎo)出在對應(yīng)的傳熱模型下管內(nèi)循環(huán)流體在熱流 脈沖的影響下的溫度響應(yīng)，如公式l。
<formula>formula see original document page 4</formula> (1)當(dāng)"o，洲=—;
當(dāng)t<o， gW=o 。
其中￡/(x) = f*^，為指數(shù)積分函數(shù)。
r產(chǎn)第i個時刻循環(huán)水平均溫度，'c; r0=地下巖土初始溫度，°c;
Jt-地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/nr°C;
《,-第i時刻的熱脈沖，即第i個時刻的單位鉆孔深度加熱或釋冷功率，W/m; ^-鉆孔半徑，m;
及0=單位長度鉆孔內(nèi)熱阻，'C'm/W;
f測試時間，s;
r產(chǎn)第i個時刻的時間，s;
o=地下巖土熱擴(kuò)散率，m2/s;
i=第i個時刻。
5)在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)估計(jì)方法獲得巖土熱物性參數(shù)。
實(shí)施例
利用本發(fā)明方法對某工地地下巖土熱物性參數(shù)進(jìn)行了測試。本次測試地下埋管深度100 米，地質(zhì)構(gòu)成為l-3米為粘土， 3-100米為砂巖。測試開始后約24小時由于供電原因?qū)е?測試儀加熱中斷約40分鐘。后重啟加熱器，繼續(xù)測試約4小時后，再次由于供電原因?qū)е录?熱中斷約14小時。此后再次重啟加熱器，繼續(xù)測試約6小時后，停止測試。測試結(jié)果為地下 巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)3.18W/m'C,平均容積比熱2.59><106」/巾3'(:。圖4是實(shí)際測量埋管循環(huán)水 平均溫度隨時間的變化與利用本發(fā)明中的數(shù)學(xué)模型根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算得到的循環(huán)水平均溫度 的對比。圖4顯示二者重合度較高，說明測試結(jié)果比較合理。另外根據(jù)手冊"2003ASHRAE Handbook HVAC Applications",砂巖導(dǎo)熱系數(shù)范圍為2.1-3.5 W/m'C，容積比熱為1.65-4.67 J/m3'C,利用本發(fā)明方法測得的結(jié)果亦在該范圍之內(nèi)，亦說明測試結(jié)果比較合理。
權(quán)利要求
1. 一種非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法，其特征是，它的步驟為1)在需要測量地下巖土熱物性參數(shù)的現(xiàn)場鉆孔并埋設(shè)地埋管，地上安裝與地埋管聯(lián)通的測試裝置構(gòu)成閉合回路；2)在回路中充滿水或者其它流體，循環(huán)流體被加熱或冷卻并在回路中循環(huán)流動將熱量或冷量釋放給地下巖土；3)現(xiàn)場測試時間持續(xù)24-72小時，選擇適當(dāng)?shù)臅r間步長△τ將整個現(xiàn)場測試的時間劃分為n段，n>0；4)當(dāng)現(xiàn)場測試所施加的加熱或冷卻功率隨時間進(jìn)行發(fā)生變化時，將這種隨時間進(jìn)行變化的熱流用熱流脈沖來進(jìn)行表示；即一個作用時間在τi<τ<τi+1之間的單個矩形脈沖可以理解為兩個階躍熱流疊加而得到的，以此推導(dǎo)出在對應(yīng)的傳熱模型下管內(nèi)循環(huán)流體在熱流脈沖的影響下的溫度響應(yīng)公式當(dāng)τ＝0，q0＝0；當(dāng)τ≥0，當(dāng)τ<0，g(τ)＝0；其中為指數(shù)積分函數(shù)；Ti＝＝第i個時刻循環(huán)水平均溫度，℃；T0＝地下巖土初始溫度，℃；k＝地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；qi＝第i時刻的熱脈沖，即第i個時刻的單位鉆孔深度加熱或釋冷功率，W/m；rb＝鉆孔半徑，m；R0＝單位長度鉆孔內(nèi)熱阻，℃·m/W；τ＝測試時間，s；τi＝第i個時刻的時間，s；a＝地下巖土熱擴(kuò)散率，m2/s；i＝第i個時刻；5)在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)估計(jì)方法獲得巖土熱物性參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法，其特征是，所述步 驟3)中，時間劃分時，先分析出現(xiàn)如電力供應(yīng)中斷和電壓波動較大等功率不穩(wěn)定情況時加 熱或制冷功率隨時間的變化規(guī)律，按時間劃分成多個區(qū)間，每個區(qū)間的功率應(yīng)較為恒定，加 熱或制冷中斷可視為功率為0。
3. 如權(quán)利要求1所述的非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法，其特征是，將隨時 間進(jìn)行變化的熱流用熱流脈沖進(jìn)行表示，而單個熱流脈沖可認(rèn)為有兩個階躍熱流疊加而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非恒定功率條件下巖土熱物性現(xiàn)場測試方法。它通過分析出現(xiàn)如電力供應(yīng)中斷和電壓波動較大等功率不穩(wěn)定情況時加熱或制冷功率隨時間的變化規(guī)律，按時間劃分成多個區(qū)間，每個區(qū)間的功率應(yīng)較為恒定(加熱或制冷中斷可視為功率為0)，將地埋管的傳熱過程看成受許多階躍熱流作用，進(jìn)而將這些階躍熱流分解成多個熱脈沖的疊加，在此基礎(chǔ)上利用線性疊加原理進(jìn)行分析和建立數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型并結(jié)合參數(shù)估計(jì)等方法可獲得巖土熱物性參數(shù)。
文檔編號G01N25/00GK101430317SQ200810238160
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者于明志, 方肇洪, 趙嘯琳, 魏建平 申請人:山東建筑大學(xué)