專利名稱：地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法
技術領域：
本發明涉及在缺乏測試孔內回填材料導熱系數的情況下巖土體的熱擴散率的確定方法。
背景技術：
工程場地的狀況及淺層地熱能資源條件是能否應用地源熱泵系統的前提。于是地源熱泵系統方案設計前需要對場地內的測試孔進行巖土體熱響應試驗。由于根據線熱源計算原理計算巖土體的熱擴散率時需要鉆孔內回填料的熱物性，但是回填料成分較為復雜， 很難給出較為精確的數據，然而常用的回填料的導熱系數及巖土體的熱擴散率系數都在一定的范圍內，于是利用本發明就可以實現在缺乏鉆孔內回填料熱物性的情況下，通過遍歷方法，估算出巖土體的熱擴散率，為實際的工程設計及研究提供相應的參考依據
因此，本發明提出一種在缺乏測試孔內回填料熱物性參數的巖土體熱擴散率的估算方法。
發明內容
為了彌補巖土體熱響應測試中熱擴散率的計算必須已知測試孔中回填料熱物性這一不足之處，本發明提供一種地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法，本發明能夠方便地取得巖土體的熱擴散率。一種地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法
步驟1 初始化熱物性測試中獲取的測試數據，包括根據數據采集儀記錄的地埋管進
口水溫‘、出口水溫‘計算出循環介質的平均水溫~、循環介質流量L ；測試孔的有效孔深H，測試時間f ；根據電參數儀器顯示的恒定的加熱功率Q及測試孔的深度H，計算出地埋管實際換熱熱流密度,此時平均水溫&、測試時間r及恒定的加熱功率Q實際輸入熱流密度ft =Q/H作為算法的初始參數；
步驟2 初始化測試測試孔及地埋管的相關參數，包括土壤初始溫度4、測試孔直徑 ^地埋管內徑4、地埋管外徑A兩根埋管中心距、地埋管管壁的導熱系數4、測試孔周
圍的巖土體的導熱系數為、流體介質與U型管內的對流換熱系數^其中換熱系數由下式計算出
其中地埋管內循環介質的流速1>由下式計算得出 vf = 4 L/(π di)；
步驟3 初始化循環指針i=l，Δ 1=0. 00000001, Δ 1為巖土體熱擴散率A的變化步長， 初始化巖土體的熱擴散率、=Δ 1，巖土體的熱擴散車^的變化范圍設定為0 A，A為巖土體的熱擴散率能取到的最大值；
步驟4 判斷i彡M，如果是，則轉入步驟5 ；如果否，則轉入步驟13，M值是由Α/Δ 1取整得到的；
步驟5 初始化循環指針j=l，Δ 2=0. 01，Δ 2為回填料導熱系數的變化步長，初始化回填料導熱系數=Δ 2，回填料導熱系數的變化范圍設定為0 B，B為回填料導熱系數能取到的最大值；
步驟6 判斷j彡N，，如果是，則轉 入步驟7 ；如果否，則轉入步驟12，N值是由B/ Δ 2 取整得到的；
步驟7 初始化鉆孔內、外的總熱阻R，根據步驟1-5的初始參數，計算出測試孔內總熱阻及測試孔外總熱阻進而得出測試孔內外總熱阻i = Ri +式，其中測試孔內總熱阻
民根據以下算式計算得到
測試孔外總熱阻由下式計算得到
其中計算式中的乓C7I^)為指數積分函數，當測試時間時，，其中是歐拉常
數’ y = 0.577216 ；
步驟8 初始化計算熱流密度，根據步驟1中初始化平均水溫與步驟2中初始化土壤初始溫度，步驟5中初始化總熱阻，計算出熱流密度/執流密度根據下式f = (i/ - ^ ) /計算得到；
步驟9 判斷步驟8中計算出的與步驟1中所輸入的地埋管實際換熱熱流密度釣的差
值的絕對值是否小于ε，此時ε設定為0.01;如果是，則轉入步驟10;如果否，則跳過步驟 10直接執行步驟11;
步驟10 記錄以此次循環體所用的巖土體的熱擴散率及回填料的導熱系數岑作為計算結果之一，并記錄此結果；
步驟11 改變回填料導熱系數，執行j+Ι，Λ = Λ + Δ 2，回到步驟6，進入下一個子循
環；
步驟12 改變熱擴散率系數，執行i+1，A + Δ 1，回到步驟4，接著進入主循環體； 步驟13 顯示出計算結果，進而獲取計算熱流密度與初始化輸入的熱流密度差值最小時的熱擴散率及回填料的導熱系數1
本發明的優點在于
(1)克服了傳統的基于線熱源計算原理的巖土體熱擴散率的計算。在巖土體的熱擴散率的傳統計算如下
其中，可見，巖土體的熱擴散率的確定需要確定回填料的導熱系數岑；本發明采用遍歷的方法，比傳統的計算方法優越，其在于，通過巖土體的熱擴散率及回填料的導熱系數 1這一組值在各自的范圍內進行遍歷，每一組值計算出對應的總熱阻R ；由測試獲取的流
體的平均溫度及巖土體的初始溫度，計算出每一組值對應的熱流密度fi = (i/ - 4 )/ ^ ,
其中i = Ri + R5，，將每一個計算出的熱流密度值‘與實際熱流密度豹進行耦合，符合條
件的對應的這一組值，即此耦合過程中所用到的巖土體的熱擴散率及回填料的導熱系數即為滿足條件的值，進而獲得巖土體的熱擴散。(2)這一確定方法對地源熱泵用巖土體熱物性測試過程中巖土體的熱擴散率的計算提供了一種新的算法，即使在缺乏測試孔內回填料的導熱系數的條件下仍可以利用這一方法計算出巖土體的熱擴散率，為地源熱泵地埋管的設計及研究提供了一定的參考依據。
圖1是缺乏測試孔內回填料導熱系數時巖土體熱擴散率計算方法框圖。
具體實施例方式
一種地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法
步驟1 初始化熱物性測試中獲取的測試數據，包括由數據采集儀采集記錄的地埋管進口水溫‘、出口水溫Ui及循環介質流量L，由地埋管進口出水溫計算出循環介質的平均
水溫& ；測試孔的有效孔深H是根據測試孔實際場地制作時確定；測試時間τ即是測試進
行的總時間；恒定的加熱功率Q是根據電參數儀器電壓值及電流值設定的；地埋管實際換熱熱流密度是由恒定的加熱功率Q除以測試孔的深度H計算出的；
步驟2 初始化測試測試孔及地埋管的相關參數，包括土壤初始溫度、測試孔直徑< 、地埋管內徑、地埋管外徑為、兩根埋管中1距」地埋管管壁的導熱系數岑、測試孔周圍
的巖土體的導熱系數、流體介質與U型管內的對流換熱系數;其中土壤的初始溫度是根據測試裝置在未進行加I或是制冷狀態下開啟水泵獲取的地埋管的進出口的水溫確定的； 測試孔直徑、地埋管內徑j、地埋管外徑為及兩根埋管中心距“是由測試孔制作及地埋管
埋設時確定的；地埋管管壁的導熱系數是根據地埋管的管材確定；測試孔周圍的巖土體的導熱系數是基于線熱源計算原理的熱響應測試獲得的；換熱系數由下式計算出
其中地埋管內循環介質的流速由下式計算得出
步驟3 初始化循環指針i=l，A 1=0. 00000001為巖土體熱擴散率的變化步長，初始化巖土體的熱擴散率= Δ1，巖土體的熱擴散率+的變化范圍通常是根據相關規范要求設定， 例如致密沙土 (含水量5%)的熱擴散率的范圍為1. 10Χ10-6 1. 62Χ 10_6m2/s ；于是在設定最大取值A時可以設定為2 X IO-6 m2/s ；
步驟4 判斷i ( M，如果是，此時i=l，2，3,4……199 ；則轉入步驟5 ；如果否，則轉入步驟13，M值是由A/Δ 1取整得到的，此時Μ=200 ；步驟5 初始化循環指針j=l，A 2=0. 01為回填料導熱系數的變化步長，初始化回填料導熱系數=Δ 2，回填料導熱系數Λ的變化范圍通常是根據相關規范要求設定，例如含有 10%膨潤土、90% SiO2砂子的混合物的導熱系數為2. 08 2. 42 ff/(m ·Κ)，于是在設定最大取值B時可以設定為3W/(m · K)；
步驟6 判斷j ( N,如果是，此時j=l，2，3,4……299 ；則轉入步驟7 ；如果否，則轉入步驟12，N值是由B/ Δ 2取整得到的，此時Ν=300 ；
步驟7:初始化鉆孔內、外的總熱阻R，根據步驟1-5的初始參數，計算出測試孔內總熱
阻民及測試孔外總熱阻氏，進而得出測試孔內外總熱阻Λ R, — Ri，其中測試孔內總熱阻民根據以下算式計算得到
9
測試孔外總熱阻由下式計算得到
9
其中計算式的馬(i)為指數積分函數，當測試時間時，，其中是歐拉常數，
γ = 0.577216 ；
步驟8 初始化計算熱流密度，根據步驟1中初始化平均水溫與步驟2中初始化土壤
初始溫度，步驟5中初始化總熱阻汁算出熱流密度 ),熱流密度根據下式計算/ = (if R ；
步驟9 判斷步驟8中計算出的‘與步驟1中所輸入的地埋管實際換熱熱流密度必的
差值的絕對值是否小于ε，此時ε設定為0.01，如果是，則轉入步驟10;如果否，則跳過步驟10直接執行步驟11 ；
步驟10 記錄此次循環體所用的巖土體的熱擴散車二及回填料的導熱系數知； 步驟11 改變回填料導熱系數為，執行j+l(2，3，4，5……299), Λ + Δ 2，回到步驟6， 進入下一個子循環；
步驟12:改變熱擴散率系數~，執行i+l(2，3，4，5……199) ^ +Δ1，回到步驟4，接著進入主循環體；
步驟13 顯示出計算結果，進而獲取計算熱流密度與初始化輸入的熱流密度差值最小時的熱擴散率A及回填料的導熱系數為。
權利要求
1. 一種地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法，其特征在于步驟1 初始化熱物性測試中獲取的測試數據，包括根據數據采集儀記錄的地埋管進口水溫tin出口水溫tout,計算出循環介質的平均水溫tf循環介質流量L ；測試孔的有效孔深H，測試時間t根據電參數儀器顯示的恒定的加熱功率Q及測試孔的深度H，計算出地埋管實際換熱熱流密度qt此時平均水溫tf、測試時間τ及恒定的加熱功率Q實際輸入熱流密度ql =Q/H作為算法的初始參數；步驟2 初始化測試測試孔及地埋管的相關參數，包括土壤初始溫度tω、測試孔直徑tb、地埋管內徑di、地埋管外徑d0、兩根埋管中心距D地埋管管壁的導熱系數λp、測試孔周圍的巖土體的導熱系數λs、流體介質與U型管內的對流換熱系數h ；其中換熱系數由下式計算出
全文摘要
一種地源熱泵用巖土體的熱擴散率的確定方法初始化熱物性測試中獲取的測試數據、測試孔及地埋管的相關參數、循環指針i=1，j=1，巖土體的熱擴散率及回填料的導熱系數；判斷i≤M為主循環體，j≤N為次循環體，如果是，則執行鉆孔總的傳熱熱阻的計算、熱流密度的計算，以計算熱流密度與初始化輸入的熱流密度的差值是否小于設定值ε作為判斷條件，如果是，則記錄此時的與作為結果，否則執行改變回填料的導熱系數，j+1，+△2，直到j>N，次循環結束，然后主循環體執行i+1，+△1，改變回填料導熱系數，再次進入次循環體；直到i>M，顯示出計算結果，獲取巖土體的熱擴散率及回填料的導熱系數。
文檔編號G01N25/20GK102262102SQ201110106799
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者任倩, 張小松, 鄭曉紅, 錢華, 聞才 申請人:東南大學