帶有斷電過(guò)程的土壤源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地源熱栗技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗巖土熱響應(yīng) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤源熱栗地埋管換熱器通過(guò)豎直埋管使管內(nèi)循環(huán)的水與管外的巖土進(jìn)行熱交 換。由于巖土的溫度相對(duì)地表空氣冬暖夏涼，因此熱栗機(jī)組性能高于常規(guī)的空氣源熱栗，成 為積極推廣的可再生能源技術(shù)。
[0003] 巖土熱物性參數(shù)是設(shè)計(jì)土壤源熱栗系統(tǒng)地埋管換熱器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不準(zhǔn)確的熱物 性參數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。所以巖土熱物性測(cè)試?yán)碚撆c方法的研究是土壤 源熱栗技術(shù)領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)。熱響應(yīng)試驗(yàn)的概念最早是由Mogensen在1983年提出的， 其以無(wú)限長(zhǎng)線熱源理論為基礎(chǔ)在恒定的放熱量或取熱量條件下，讓流體在地埋管換熱器中 循環(huán)流動(dòng)，監(jiān)測(cè)管內(nèi)流體的進(jìn)出口溫度和流量，反算出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。90年代中后期，瑞 典人EklofC.和GehlinS.基于此概念研制出現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備。隨后，熱響應(yīng)試驗(yàn)技 術(shù)在加拿大、智利、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)2009年頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范，要求 在工程設(shè)計(jì)前進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，以此作為設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。《規(guī)范》要求熱響應(yīng)試驗(yàn)用 恒定的放熱量，檢測(cè)埋管的進(jìn)出水溫度，連續(xù)運(yùn)行兩天以上，在埋管進(jìn)出水溫度達(dá)到穩(wěn)定狀 態(tài)時(shí)（是指在不少于12h的時(shí)間內(nèi)，其溫度的波動(dòng)小于1°C)可停止試驗(yàn)，再應(yīng)用無(wú)限長(zhǎng)線 熱源模型原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到巖土的綜合傳熱系數(shù)和容積比熱容的試 驗(yàn)值。
[0004] 由于巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程要求連續(xù)的穩(wěn)定的加熱量，這樣才能滿足無(wú)限長(zhǎng)線熱 源模型的條件要求。美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)和國(guó)際地源熱栗協(xié)會(huì)規(guī)范了巖土熱響應(yīng)試 驗(yàn)，并規(guī)定當(dāng)試驗(yàn)中途失敗，應(yīng)等巖土的溫度恢復(fù)到接近初溫方可再開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，即要重 新開(kāi)始測(cè)試，要求循環(huán)流體溫度（即土壤溫度）與土壤初始溫度的偏差應(yīng)該在0.3K之內(nèi)， 即土壤溫度場(chǎng)達(dá)到基本恢復(fù)[1]。試驗(yàn)和數(shù)值研究表明，當(dāng)巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2. 013W/ (m?K)時(shí)，在加熱功率為5000W，單U型埋管，鉆孔埋深100m的條件下，運(yùn)行兩天停止加熱 后的第10. 8天，循環(huán)水的溫度才能恢復(fù)到與初始溫度（土壤初始溫度）相差0. 25K。
[0005] 由于試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到事故停電而中斷試驗(yàn)，這時(shí)埋管周邊的巖土已被前段的試 驗(yàn)所加熱，如上所述，要想基本恢復(fù)到初始溫度需要很長(zhǎng)時(shí)間，勢(shì)必會(huì)影響試驗(yàn)的正常進(jìn) 行。如果遇到此類問(wèn)題，能否不考慮溫度場(chǎng)的恢復(fù)，試驗(yàn)接著進(jìn)行，這樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處 理，這是工程一線人員非常關(guān)心的問(wèn)題。
[0006] 在現(xiàn)有技術(shù)一（文獻(xiàn)[1])中，熱響應(yīng)試驗(yàn)中遇到斷電后，必須要等到循環(huán)流體溫 度與土壤初始溫度的偏差小于0. 3K才能重新開(kāi)始，即土壤溫度場(chǎng)要達(dá)到基本恢復(fù)，然后將 測(cè)試鉆孔當(dāng)做前面未做過(guò)試驗(yàn)的新鉆孔重新進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試。將已經(jīng)被斷電前加熱的土壤 溫度（用埋管中的循環(huán)水的溫度代表）恢復(fù)到與土壤初始溫度的偏差在〇. 3K以內(nèi)，所需時(shí) 間較長(zhǎng)。這一恢復(fù)時(shí)間受斷電前的加熱功率和加熱時(shí)間影響，兩天加熱后恢復(fù)時(shí)間可達(dá)10 天以上。要等土壤溫度基本恢復(fù)才能重新進(jìn)行試驗(yàn)，這一限制將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)測(cè)試過(guò)程 所需的時(shí)間。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)二（文獻(xiàn)[2] [3])應(yīng)用埋管換熱基本原理，提出一種解析方法，該方法在 斷電后不需要等土壤溫度基本恢復(fù)即可接著進(jìn)行試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]提出恢復(fù)時(shí)間（Recovery Time)方法，其方法根據(jù)中斷時(shí)刻、中斷延續(xù)時(shí)間等，確定對(duì)應(yīng)某一誤差的恢復(fù)時(shí)間，對(duì)應(yīng)的 誤差越小，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，使中斷后的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到恢復(fù)時(shí)間的要求，由此得到巖土的導(dǎo)熱 系數(shù)。文獻(xiàn)[3]對(duì)文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了改進(jìn)，提出等效時(shí)間（EquivalentTime)的方法，應(yīng)用重 啟后的數(shù)據(jù)，得到巖土的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0008] 引用文獻(xiàn)：
[0009] [1]Closed-Loop/GeothermalHeatPumpSystems:DesignandInstallation Standards2010Edition
[0010] [2]RichardA.Beier,MarvinD.Smith.AnalyzingInterruptedIn-SituTests onVerticalBoreholes.ASHRAETransactions, 2005.Ill(1). 702-713.
[0011] [3]RichardA.Beier.EquivalentTimeforInterruptedTestsonBorehole HeatExchangers.HVAC&RRESEARCH. 2008. 14(3). 489-505.
[0012] 文獻(xiàn)[2]、[3]中存在的缺陷：
[0013] (1)數(shù)據(jù)處理只保留斷電后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，斷電前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)舍棄掉，這樣忽略了斷 電前測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。
[0014] (2)最終只能得到巖土導(dǎo)熱系數(shù)ks(WAm*°C))，不能得到巖土容積比熱容 Pscs(J/(m3 ?°C))的試驗(yàn)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：現(xiàn)有技術(shù)一中存在的斷電后要等待土壤溫度基本 恢復(fù)所需時(shí)間長(zhǎng)以及現(xiàn)有技術(shù)二中數(shù)據(jù)處理舍棄斷電前數(shù)據(jù)、斷電重啟后測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、不 能得到巖土容積比熱容。
[0016] 本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗巖土熱響應(yīng)試驗(yàn) 數(shù)據(jù)處理方法。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以解決：
[0018] -種帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，包括：
[0019] 第一步，測(cè)試巖土初始溫度T。；
[0020] 第二步，沖洗U形豎向埋管；
[0021] 第三步，測(cè)試儀器與測(cè)試孔的U形豎向埋管連接，并進(jìn)行必要的保溫；
[0022] 第四步，設(shè)定加熱器的加熱功率和管中循環(huán)水流量，并在試驗(yàn)中保持恒定；
[0023] 第五步，開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)記錄U形豎向埋管進(jìn)水溫度、出水溫度、管中水 循環(huán)流量以及加熱功率；
[0024] 第六步，斷電時(shí)，循環(huán)水栗和加熱器停止了工作，記錄斷電時(shí)刻以及該時(shí)刻U形豎 向埋管的進(jìn)、出水溫度；
[0025] 第七步，用電恢復(fù)后，立即啟動(dòng)水栗和加熱器，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行；
[0026] 第八步，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫恢復(fù)時(shí)刻，之后繼續(xù)運(yùn)行，滿足水溫恢復(fù)時(shí)刻至試驗(yàn)停止時(shí) 刻的時(shí)間加上斷電時(shí)刻前已測(cè)試時(shí)間等于試驗(yàn)要求的總時(shí)間；
[0027] 第九步，去除斷電時(shí)刻至水溫恢復(fù)時(shí)刻之間的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，將水溫恢復(fù)時(shí)刻之 后的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)拼接到斷電時(shí)刻前的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)上，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為有效試驗(yàn)數(shù) 據(jù)；
[0028] 第十步，將第九步得到的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為熱響應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行巖土熱物 性參數(shù)的計(jì)算。
[0029] 進(jìn)一步的，所述第五步中，記錄時(shí)間步長(zhǎng)不大于10分鐘。
[0030] 進(jìn)一步的，所述第八步的所述試驗(yàn)要求的總時(shí)間為不小于48h。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是有斷電過(guò)程的試驗(yàn)的循環(huán)水溫度的記錄曲線。
[0032] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)二中的數(shù)據(jù)處理曲線。
[0033] 圖3是本發(fā)明的方法中帶有斷電過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)的拼接示意。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 實(shí)施例：
[0035] 本發(fā)明的帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法包括以下步 驟：
[0036] 第一步，測(cè)試巖土初始溫度T。；
[0037] 第二步，沖洗U形豎向埋管；
[0038] 第三步，測(cè)試儀器與測(cè)試孔的U形豎向埋管連接，并進(jìn)行必要的保溫；
[0039] 第四步，設(shè)定加熱器的加熱功率和管中循環(huán)水流量，并在試驗(yàn)中保持恒定；
[0040] 第五步，開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)記錄U形豎向埋管進(jìn)水溫度、出水溫度、管中水 循環(huán)流量以及加熱功率，記錄時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1分鐘；
[0041] 第六步，斷電時(shí)，循環(huán)水栗和加熱器停止了工作，記錄斷電時(shí)刻以及該時(shí)刻U形豎 向埋管的進(jìn)、出水溫度；
[0042] 第七步，用電恢復(fù)后，立即啟動(dòng)水栗和加熱器，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行；
[0043] 第八步，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫恢復(fù)時(shí)刻（即該時(shí)刻的水溫與斷電時(shí)刻水溫相同），之后繼 續(xù)運(yùn)行，滿足水溫恢復(fù)時(shí)刻至試驗(yàn)停止時(shí)刻的時(shí)間加上斷電時(shí)刻前已測(cè)試時(shí)間等于試驗(yàn)要 求的總時(shí)間；因此，實(shí)際試驗(yàn)總時(shí)間為試驗(yàn)要求的總時(shí)間加上停電延續(xù)時(shí)間