帶有斷電過程的土壤源熱泵熱響應試驗數(shù)據(jù)處理解析方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于地源熱累技術領域，設及一種帶有斷電過程的±壤源熱累熱響應試驗 數(shù)據(jù)處理解析方法。
【背景技術】
[0002] ±壤源熱累地埋管換熱器通過豎直埋管使管內循環(huán)的水與管外的巖±進行熱交 換。由于巖±的溫度相對地表空氣冬暖夏涼，因此熱累機組性能高于常規(guī)的空氣源熱累，成 為積極推廣的可再生能源技術。
[0003] 巖±熱物性參數(shù)是設計±壤源熱累系統(tǒng)地埋管換熱器的基礎數(shù)據(jù)，不準確的熱物 性參數(shù)會影響系統(tǒng)設計的經(jīng)濟性和可靠性。所^巖±熱物性測試理論與方法的研究是±壤 源熱累技術領域研究的一個重點。熱響應試驗的概念最早是由Mogensen在1983年提出的， 其W無限長線熱源理論為基礎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，監(jiān)測管內流體的進出口溫度和流量，反算出±壤的導熱系數(shù)。90年代中后期，瑞 典人化lofC.和GehlinS.基于此概念研制出現(xiàn)場熱響應試驗設備。隨后，熱響應試驗技 術在加拿大、智利、德國等多個國家得到了廣泛的應用。我國2009年頒布的設計規(guī)范，要求 在工程設計前進行巖±熱響應試驗，W此作為設計的基本依據(jù)。《規(guī)范》要求熱響應試驗用 恒定的放熱量，檢測埋管的進出水溫度，連續(xù)運行兩天W上，在埋管進出水溫度達到穩(wěn)定狀 態(tài)時（是指在不少于i2h的時間內，其溫度的波動小于rc)可停止試驗，再應用無限長線 熱源模型原理對試驗數(shù)據(jù)進行分析計算，最終得到巖±的綜合傳熱系數(shù)和容積比熱容的試 驗值。
[0004] 由于巖±熱響應試驗過程要求連續(xù)的穩(wěn)定的加熱量，運樣才能滿足無限長線熱 源模型的條件要求。美國俄克拉荷馬州立大學和國際地源熱累協(xié)會規(guī)范了巖±熱響應試 驗，并規(guī)定當試驗中途失敗，應等巖±的溫度恢復到接近初溫方可再開始進行試驗，即要重 新開始測試，要求循環(huán)流體溫度（即±壤溫度）與±壤初始溫度的偏差應該在0.3K之內， 即±壤溫度場達到基本恢復[1]。試驗和數(shù)值研究表明，當巖±綜合導熱系數(shù)為2. 013W/ (m?K)時，在加熱功率為5000W，單U型埋管，鉆孔埋深100m的條件下，運行兩天停止加熱 后的第10. 8天，循環(huán)水的溫度才能恢復到與初始溫度（±壤初始溫度）相差0. 25K。
[0005] 由于試驗中經(jīng)常會遇到事故停電而中斷試驗，運時埋管周邊的巖±已被前段的試 驗所加熱，如上所述，要想基本恢復到初始溫度需要很長時間，勢必會影響試驗的正常進 行。如果遇到此類問題，能否不考慮溫度場的恢復，試驗接著進行，運樣的試驗數(shù)據(jù)如何處 理，運是工程一線人員非常關屯、的問題。
[0006] 在現(xiàn)有技術一（文獻山）中，熱響應試驗中遇到斷電后，必須要等到循環(huán)流體溫 度與±壤初始溫度的偏差小于0. 3K才能重新開始，即±壤溫度場要達到基本恢復。然后將 測試鉆孔當做前面未做過試驗的新鉆孔重新進行熱響應測試。將已經(jīng)被斷電前加熱的±壤 溫度（用埋管中的循環(huán)水的溫度代表）恢復到與±壤初始溫度的偏差在0. 3KW內，所需時 間較長。運一恢復時間受斷電前的加熱功率和加熱時間影響，兩天加熱后恢復時間可達10 天w上。要等±壤溫度基本恢復才能重新進行試驗，運一限制將會嚴重影響整個測試過程 所需的時間。
[0007] 現(xiàn)有技術二（文獻巧][3])應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±壤溫度基本恢復即可接著進行試驗。文獻[2]提出恢復時間巧ecovery Time)方法，其方法根據(jù)中斷時刻、中斷延續(xù)時間等，確定對應某一誤差的恢復時間，對應的 誤差越小，恢復時間越長，使中斷后的試驗時間達到恢復時間的要求，由此得到巖±的導熱 系數(shù)。文獻[3]對文獻[2]進行了改進，提出等效時間巧quivalentTime)的方法，應用重 啟后的數(shù)據(jù)，得到巖±的導熱系數(shù)。由于推導原理的問題，文獻巧][3]所提出的方法只能 得到巖±的導熱系數(shù)心，得不到巖±容積比熱容PgCg。
[000引 引用文獻：
[0009] [1]Closed-Loop/GeothermalHeatPumpSystems:DesignandInstallation St曰nd曰rds2010Edition
[0010] [2]RichardA.Beier,MarvinD.Smith.AnalyzingInterruptedIn-SituTests onVe;rticalBoreholes.ASHRAETransactions,2005. 111 (1).702-713.
[0011] [3]RichardA.Beier.EquivalentTimeforInterruptedTestsonBorehole HeatExchangers.HVAC&RRESEARCH. 2008. 14(3). 489-505.

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術問題是：現(xiàn)有技術一中存在的斷電后±壤溫度恢復時間長 W及現(xiàn)有技術二不能得到巖上容積比熱容PsCs。
[0013] 本發(fā)明針對上述技術問題，提供一種帶有斷電過程的±壤源熱累熱響應試驗數(shù)據(jù) 處理的解析方法。
[0014] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案予W解決：
[0015] 一種帶有斷電過程的±壤源熱累熱響應試驗數(shù)據(jù)處理解析方法，包括：
[0016] 第一步，測試巖±初始溫度T。；
[0017] 第二步，沖洗U形豎向埋管；
[0018] 第=步，測試儀器與測試孔的U形豎向埋管連接，并進行必要的保溫；
[0019] 第四步，設定加熱器的加熱功率和管中循環(huán)水流量，并在試驗中保持恒定；
[0020] 第五步，開始運轉，進行試驗，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進出水溫度、管中水循環(huán) 流量W及加熱功率；
[0021] 第六步，斷電時，循環(huán)水累和加熱器停止工作；
[0022] 第屯步，用電恢復后，重新啟動循環(huán)水累和加熱器，試驗繼續(xù)進行；
[0023] 第八步，試驗過程中，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進出水溫度、管中水循環(huán)流量W及 加熱功率；T2為重啟時刻；
[0024] 第九步，對第八步得到的試驗數(shù)據(jù)進行如下處理，得到巖±綜合導熱系數(shù)心(W/ (m.°C))、巖±容積比熱容P而(J/ (m3 .°C))，具體如下：
[0025] 根據(jù)第八步得到的試驗數(shù)據(jù)繪制溫度-對數(shù)時間曲線，溫度-對數(shù)時間曲線是W InAT。為橫坐標，W[Tf(T)-Tf(T,)]為縱坐標的曲線；選擇該曲線上最后一個當量時間 AT。的曲線段進行線性擬合，將所得到的擬合曲線的斜率和截距與下式的斜率
巧截 距
進行對比，即得到巖±導熱系數(shù)心、巖±容積比熱容P
[0026]
[0027]式中，q為單位長度埋管釋放的熱流量，W/m;Tf為U形豎向埋管的進出水溫度的算 術平均值，°C;a,為巖±的熱擴散率，;rb為鉆孔半徑，m;丫為計算常數(shù)，丫= 1. 78; AT。為當量時間，S，如下式：
[0029] 其中，T1為停電時刻，I2為重啟時刻，T〉T2。
[0030] 進一步的，所述第五步中，所述記錄時間步長為1分鐘。
[0031] 進一步的，所述第八步中，所述重新啟后連續(xù)記錄時間不小于48小時，步長為1分 鐘。
[0032] 本發(fā)明的方法的有益效果如下：
[003引1)不需要等候±壤溫度恢復，節(jié)約測試時間。
[0034] 斷電后要重新開始試驗，現(xiàn)有技術一要求停放一段時間，待循環(huán)流體溫度（即± 壤溫度）恢復到與初始溫度的偏差小于0. 3K才可W，運要放置較長時間才能重新進行試 驗。本發(fā)明不必要等±壤溫度恢復，來電后可立即開機繼續(xù)試驗，運樣可W節(jié)約大量的時 間。
[0035] 2)相比現(xiàn)有技術二，本發(fā)明方法能夠得到巖±的容積比熱容的值。
【附圖說明】
[0036]圖1是帶有斷電試驗的循環(huán)水溫度的測試數(shù)據(jù)的記錄曲線。
[0037] 圖2是溫度-對數(shù)時間曲線。
[0038] 圖3是離散負荷的疊加示意。其中，（a)為帶有斷電過程的真實負荷變化示意；化） 為帶有斷電過程的等效負荷變化示意。
[0039] 圖4是基于鉆孔溫度疊加的斷電測試曲線。
[0040] 圖5是基于水溫疊加的斷電測試曲線。
【具體實施方式】 [00川 實施例：
[0042] 本發(fā)明的帶有斷電過程的±壤源熱累熱響應試驗數(shù)據(jù)處理解析方法包括W下步 驟：
[0043] 第一步，測試巖±初始溫度To;
[0044] 第二步，沖洗U形豎向埋管；
[0045] 第=步，測試儀器與測試孔的U形豎向埋管連接，并進行必要的保溫；
[0046] 第四步，設定加熱器的加熱功率和管中循環(huán)水流量，并在試驗中保持恒定；
[0047] 第五步，開始運轉，進行試驗，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進出水溫度、管中水循環(huán) 流量W及加熱功率，記錄時間步長為1分鐘；
[0048] 第六步，斷電時，循環(huán)水累和加熱器停止工作；
[0049] 第屯步，用電恢復后，重新啟動循環(huán)水累和加熱器，試驗繼續(xù)進行；
[0050] 第八步，重新啟動后的試驗