延續(xù)時(shí)間視U形豎向埋管進(jìn)出、水溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) 而定，且重新啟動(dòng)后的試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間不小于48小時(shí)；該過(guò)程中，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進(jìn) 出水溫度、管中水循環(huán)流量W及加熱功率，記錄時(shí)間步長(zhǎng)為1分鐘；T2為重啟時(shí)刻；
[0051] 第九步，對(duì)第八步得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理，得到巖±綜合導(dǎo)熱系數(shù)心、巖± 容積比熱容PsCs，具體如下：
[0052] 根據(jù)第八步得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制如圖2所示的溫度-對(duì)數(shù)時(shí)間曲線，溫度-對(duì)數(shù) 時(shí)間曲線是WInAT。為橫坐標(biāo)，W[Tf(T)-Tf(T2)]為縱坐標(biāo)的曲線；選擇該曲線上最后 一個(gè)當(dāng)量時(shí)間AT。的曲線段進(jìn)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
和截距
進(jìn)行對(duì)比，即得到巖±導(dǎo)熱系數(shù)心、巖±容積比熱容P
[0054] 式中，q為單位長(zhǎng)度埋管釋放的熱流量，W/m;Tf為U形豎向埋管的進(jìn)出水溫度的算 術(shù)平均值，°C;a,為巖±的熱擴(kuò)散率，;rb為鉆孔半徑，m;丫為計(jì)算常數(shù)，丫= 1. 78;AT。為當(dāng)量時(shí)間，S，如下式：
[0056] 其中，T1為停電時(shí)刻，I2為重啟時(shí)刻，T〉T2。
[0057]W下介紹本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：
[005引圖1為帶有斷電過(guò)程的熱響應(yīng)試驗(yàn)記錄曲線。本發(fā)明的方法首先舍棄A段測(cè)試數(shù) 據(jù)，然后再對(duì)B段的溫度和時(shí)間進(jìn)行變換，繪制"溫度-對(duì)數(shù)時(shí)間"曲線（見圖2)，選擇后時(shí) 間段的接近線性部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖1的縱坐標(biāo)為U形埋管進(jìn)、出水溫度平均值Tf與巖 上初始溫度T。的差值，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間。
[0059]圖2中AT6為經(jīng)過(guò)變換的測(cè)試時(shí)間（當(dāng)量時(shí)間）：
[0061] 式中，T1為停電時(shí)刻，I2為重啟時(shí)刻，X為試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，圖2中X〉X2。
[0062] 具有斷電的熱響應(yīng)試驗(yàn)，加熱功率變化如圖3(a)所示，在停電之前（I《I1)和 重啟之后（T>I2)加熱功率t旦定為q，斷電過(guò)程中（T1<X〈X2)加熱功率為零。
[0063] 采用疊加原理，帶有斷電情況的熱響應(yīng)測(cè)試負(fù)荷相當(dāng)于=個(gè)連續(xù)恒定負(fù)荷的疊 加，見圖3化）。將（0,13)時(shí)間段內(nèi)的間斷負(fù)荷表示為（0,13)時(shí)間段的恒定負(fù)荷q、 (T1，T3)時(shí)間段的恒定負(fù)荷-q和（T2,T3)時(shí)間段的恒定負(fù)荷q的疊加。
[0064]按照鉆孔壁溫度疊加的原理，得到鉆孔壁的溫度響應(yīng)后，再通過(guò)熱平衡與鉆孔內(nèi) 禪合，得到u型豎向埋管內(nèi)水溫響應(yīng)為：
[006引式中，q為單位長(zhǎng)度埋管釋放的熱流量，W/m;屯為巖±的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?°C;aS為巖±的熱擴(kuò)散率，m2/s;rb為鉆孔半徑，m;Rb為鉆孔內(nèi)熱阻，m?°C/W。
[0067] 式似中包括了S個(gè)過(guò)程的溫度響應(yīng)，依據(jù)時(shí)間不同，式子右端括弧內(nèi)項(xiàng)的數(shù)量 不同。停電前右端括弧中只保留第一項(xiàng)，停電過(guò)程中右端括弧中保留前兩項(xiàng)，再次啟動(dòng)后右 端括弧中為=項(xiàng)。式（2)的圖像如圖4所示。圖中的曲線是連續(xù)曲線，與實(shí)際物理過(guò)程相 同。
[0068] 對(duì)公式（2)進(jìn)行簡(jiǎn)化 得到斷電后的溫度響應(yīng)為：
[0070]公式做有自變量InATe和因變量[Tf(T)-Tf(T2)L它們之間為線性關(guān)系，其 斜率為為了得到心值，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)做成WlnAI。為橫坐標(biāo)，W[Tf(T)-Tf(T,)]為 縱坐標(biāo)的曲線（見圖2)，將其進(jìn)行線性擬合。將擬合公式與公式（3)進(jìn)行對(duì)比，即可根據(jù)擬 合直線的斜率得到±壤的導(dǎo)熱系數(shù)心;再用擬合公式的截距b與式（3)比較得到
[0072] 從而得到巖±的熱擴(kuò)散率a,，通過(guò)下式得到巖±的容積比熱容P品，
[0074] 即通過(guò)W上方法用重新啟動(dòng)后（T〉T2)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可W得到上壤的導(dǎo)熱系數(shù)心 和容積比熱容PsCs。
[00巧]W下分析本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)二的區(qū)別：
[0076] 現(xiàn)有技術(shù)二提出了按管內(nèi)流體溫度疊加的方法，仍采用疊加原理W及鉆井壁與管 內(nèi)流體的熱平衡方法，將不同時(shí)刻開始的連續(xù)負(fù)荷所引起的水的溫升疊加起來(lái)，得到帶有 斷電過(guò)程的熱響應(yīng)試驗(yàn)的循環(huán)水的溫度響應(yīng)為：
[007引式妨包括了S個(gè)過(guò)程的溫度響應(yīng)，依據(jù)時(shí)間不同式子右端項(xiàng)的數(shù)量不同。停電 前只保留第一項(xiàng)，停電過(guò)程中右端保留前兩項(xiàng)，再次啟動(dòng)后右端為=項(xiàng)。
[007引式妨與式似的區(qū)別在于停電過(guò)程中水溫的響應(yīng)少了 231kA項(xiàng)，而停電前和恢 復(fù)供電后的溫度響應(yīng)的兩個(gè)公式相同。式巧）的水溫響應(yīng)曲線如圖5所示。圖中的曲線不 是連續(xù)曲線，停電過(guò)程中水溫產(chǎn)生了突降，重啟W后水溫產(chǎn)生了突升，運(yùn)與實(shí)際物理過(guò)程不 符。
[0080] 對(duì)應(yīng)公式妨的斷電后溫度響應(yīng)的簡(jiǎn)化公式為，
[008引式（6)與本發(fā)明的式做相比，右式多了一項(xiàng)qRb，其中鉆孔內(nèi)熱阻Rb由下式計(jì)算，
[0084] 式中，D為兩根埋管的中屯、距，m;di為埋管內(nèi)徑，m;d。為埋管外徑，m;db為鉆孔 直徑，m;kp為埋管管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K) ;h為循環(huán)水與管壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/ (m2 . 口；kb為鉆孔內(nèi)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?口。
[0085] 因?yàn)樵谠囼?yàn)期間kb-般是未知的，因此現(xiàn)有技術(shù)二不能由斷電后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到 巖±容積比熱容PsCs。
[0086] 3. 4. 3兩種方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果的比較
[0087] 表1中匯總了用本發(fā)明技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)二對(duì)多個(gè)有斷電工況的數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。 各工況設(shè)有不同的停電時(shí)間和再啟動(dòng)時(shí)間I2。
[0088] 算例條件為：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度埋管釋放的熱流量q= 50￥/111、巖±導(dǎo)熱系數(shù)心=2. 0W/ (m?°C)、巖±容積比熱容P而二3. 0X10 6j/(m3 ?°C)、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為kb= 1. 5W/(m?°C)、鉆孔直徑160mm、U型管外徑〇32mm、壁厚為3mm、U型管中屯、距80mm、管材導(dǎo)熱系 數(shù)kg為0. 42W/(m?°C)、循環(huán)水流量為1.Om 。對(duì)應(yīng)的鉆孔內(nèi)熱阻Rb= 0. 164m?°C/W。
[0089] 表中的相對(duì)誤差是分析結(jié)果相對(duì)真實(shí)值的，真實(shí)值為算例條件中的對(duì)應(yīng)值。計(jì)算 中，各工況重啟后試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間均設(shè)為48h。
[0090] 表1現(xiàn)有技術(shù)二與本發(fā)明技術(shù)的結(jié)果對(duì)比
[0091]
[0093] 從表1的處理結(jié)果對(duì)比中可W看到，現(xiàn)有技術(shù)二和發(fā)明技術(shù)得到的巖上導(dǎo)熱系數(shù) 心值相同，各工況的都接近真實(shí)值。不同的是只有本發(fā)明技術(shù)可W得到巖±容積比熱容 PsCs，且誤差在工程允許范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理解析方法，包括： 第一步，測(cè)試巖土初始溫度T。； 第二步，沖洗U形豎向埋管； 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； 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； 第五步，開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進(jìn)出水溫度、管中水循環(huán)流量 以及加熱功率； 其特征在于，還包括以下步驟： 第六步，斷電時(shí)，循環(huán)水栗和加熱器停止工作； 第七步，用電恢復(fù)后，重新啟動(dòng)循環(huán)水栗和加熱器，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行； 第八步，試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進(jìn)出水溫度、管中水循環(huán)流量以及加熱 功率；為重啟時(shí)刻； 第九步，對(duì)第八步得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理，得到巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)ks(W/(m?°C))、巖土容積比熱容Pscs(J/(m3 ?°C))，具體如下： 根據(jù)第八步得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溫度-對(duì)數(shù)時(shí)間曲線，溫度-對(duì)數(shù)時(shí)間曲線是以InA\為橫坐標(biāo)，以[Tf(〇-Tf(T2)]為縱坐標(biāo)的曲線；選擇該曲線上最后一個(gè)當(dāng)量時(shí) 間A^的曲線段進(jìn)行線性擬合，將得到擬合曲線的斜率和截距與下式的斜率^和截距生行對(duì)比，即得到巖土導(dǎo)熱系數(shù)ks(WAm?°C))、巖土容積比熱容Pscs(J/ (m3 ?°C))；式中，q為單位長(zhǎng)度埋管釋放的熱流量，W/m ;Tf為U形豎向埋管的進(jìn)出水溫度的算術(shù)平 均值，°C ;as為巖土的熱擴(kuò)散率，m 2/s ;rb為鉆孔半徑，m ;丫為計(jì)算常數(shù)，y=1. 78 ; A te 為當(dāng)量時(shí)間，s，如下式：其中，^為停電時(shí)刻，T2為重啟時(shí)刻，T>T 2。2. 如權(quán)利要求1所述的帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理解析方法，其 特征在于，所述第五步中，所述記錄時(shí)間步長(zhǎng)為1分鐘。3. 如權(quán)利要求1所述的帶有斷電過(guò)程的土壤源熱栗熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理解析方法，其 特征在于，所述第八步中，所述重新啟后連續(xù)記錄時(shí)間不小于48小時(shí)，步長(zhǎng)為1分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有斷電過(guò)程的土壤源熱泵熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理解析方法，包括：斷電時(shí)循環(huán)水泵和加熱器停止工作；用電恢復(fù)后，重新啟動(dòng)循環(huán)水泵和加熱器，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行；試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)記錄U形豎向埋管的進(jìn)出水溫度、管中水循環(huán)流量以及加熱功率；對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到巖土導(dǎo)熱系數(shù)ks、巖土容積比熱容ρscs。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的斷電后土壤溫度恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)以及不能得到巖土容積比熱容ρscs的問(wèn)題。
【IPC分類】G01N25/20
【公開號(hào)】CN105116007
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510374275
【發(fā)明人】官燕玲, 江超, 張宇昊
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日