專利名稱：一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明專利屬于建筑勘察施工領(lǐng)域，特別涉及一種針對地源熱泵應用的巖土熱物性 參數(shù)測試的測試裝置和測試方法。
背景技術(shù)：
地源熱泵系統(tǒng)是一種利用可再生淺層地熱能進行空調(diào)采暖的新形式。地源熱泵系 統(tǒng)利用向土壤吸收、排放熱量利用地溫全年相對穩(wěn)定的特性，保證機組高效運行，從而減少 對不可再生能源的利用和溫室氣體排放以達到節(jié)能減排的目的。地源熱泵空調(diào)在我國每年 以20% -25%的速度增長，規(guī)模從中小型建筑轉(zhuǎn)向大型建筑、建筑群、小區(qū)，有的工程達到 幾十萬平方米，其中豎埋U型管式地源熱泵應用較多。地源熱泵在我國發(fā)展迅速，但有的工程缺乏科學設計。豎埋U型管式地源熱泵成 功與否的關(guān)鍵在于地下?lián)Q熱器，地下?lián)Q熱器直接影響到工程經(jīng)濟性以及長期運行的換熱效 果。地下?lián)Q熱器的設計以巖土熱物性參數(shù)為基礎。Kavanaugh的一項研究表明，當土壤的導 熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)發(fā)生10%的誤差，則設計的地下埋管長度偏差為4. 5 5. 8%，并將導致 鉆孔總長度的變化。目前國際上確定上述參數(shù)的方法有兩種，IGSHPA(國際地源熱泵學會) 確定的方法是根據(jù)鉆探取出的巖土樣本查表確定的方法。Austin等人建立了一套用于現(xiàn)場 測試土壤熱物性的裝置，并采用二維數(shù)值方法得到土壤的導熱系數(shù)，但其計算時間可能長 達數(shù)百小時。與國外的研究相比，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究還很薄弱。根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù) 規(guī)范》(GB50366-2005)附錄B中所列出的導熱系數(shù)、熱擴散率等均是引自國外。將這個附 表中數(shù)據(jù)作為我國的規(guī)范，也是迫不得已的事情。由于各地地質(zhì)結(jié)構(gòu)的千差萬別，查表法獲 取導熱系數(shù)以及體積比熱不夠準確，目前公認的方法是現(xiàn)場熱響應測試，我國《地源熱泵系 統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005) 2009年修訂版已經(jīng)加入了必須進行現(xiàn)場熱響應測試的相 關(guān)條文。目前的測試儀多基于近似線熱源解析模型或柱熱源解析模型，其基本假設是恒熱 流，對測試條件比較苛刻。實踐表明測試時間要求至少48小時，并且限于模型的準確性，一 般前10小時的數(shù)據(jù)不能參與熱物性參數(shù)計算。鑒于此，研究土壤的導熱系數(shù)和體積比熱現(xiàn)場測試裝置及快速準確地算法，是非 常必要并且是迫切的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問題，本發(fā)明專利提供一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試 方法，利用該測試裝置及其測試方法可以快速測出該地域巖土熱性的導熱系數(shù)和體積比熱值。本發(fā)明是通過這樣的方式來實現(xiàn)的在水箱(10)的輸出端順序連接閥(1)、流量 計O)、壓力表(3)、溫度計(4)和U型水管(5)，U型水管的另一端與溫度計(6)、壓力表(7)、水泵⑶和閥(9)順序連接，閥(9)的另一端與水箱(10)連接，在水箱內(nèi)設置有加熱 管，流量計(2)、壓力表(3) (7)、溫度計(4) (6)和溫度傳感器(12)分別與數(shù)據(jù)處理器(11) 連接，采用一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型對所測地域巖土的熱物性進行綜合計算，其中的加熱管呈U 型結(jié)構(gòu)，利于快速加熱水溫。測試方法按以下步驟操作①先不開啟加熱器，只開動水泵，待U型地埋管進出水溫穩(wěn)定時，將其作為土壤原 始溫度，同時在土壤中埋溫度傳感器，直接測量土壤原始溫度。②開啟加熱器，循環(huán)水泵，同時記錄U型地埋管進出水溫、進出壓力、電功率以及 流量，作為土壤綜合導熱系數(shù)以及體積比熱的計算基礎數(shù)據(jù)。③現(xiàn)場測試完畢，輸入測試數(shù)據(jù)，通過一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型計算出土壤綜合導熱 系數(shù)以及體積比熱。該一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型采用如下方案流體集總處理，平均水溫計算模型如下
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，其特征是在水箱(10)的輸出端 順序連接閥(1)、流量計O)、壓力表(3)、溫度計(4)和U型水管(5)，U型水管的另一端與 溫度計(6)、壓力表(7)、水泵(8)和閥(9)順序連接，閥(9)的另一端與水箱(10)連接，在 水箱內(nèi)設置有加熱管，流量計O)、壓力表⑶(7)、溫度計⑷(6)和溫度傳感器(12)分別 與數(shù)據(jù)處理器(11)連接，采用一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型對所測地域巖土的熱物性進行綜合計 笪弁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，其特征 是加熱管呈U型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，其特征 是測試方法按以下步驟操作①先不開啟加熱器，只開動水泵，待U型地埋管進出水溫穩(wěn)定時，將其作為土壤原始溫 度，同時在土壤中埋溫度傳感器，直接測量土壤原始溫度。②開啟加熱器，循環(huán)水泵，同時記錄U型地埋管進出水溫、進出壓力、電功率以及流量， 作為土壤綜合導熱系數(shù)以及體積比熱的計算基礎數(shù)據(jù)。③現(xiàn)場測試完畢，輸入測試數(shù)據(jù)，通過一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型計算出土壤綜合導熱系數(shù) 以及體積比熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，其特征 是該一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型采用如下方案流體集總處理，平均水溫計算模型如下T — Tm + T。ut ‘—~2~其中Tf為平均水溫，°C ;Tin為換熱器進口溫度，°C ;T。ut為換熱器進口溫度，°c。單位深度換熱孔中從流體到孔壁的傳熱表述為α =^r Rb其中Tb為孔壁平均溫度，0C5Qr為單位孔深的吸放熱量，(ff/m) ；Rb為鉆孔熱阻，(m. K)/ W，鉆孔熱阻采用如下模型計算求得丄[4斗丨料丄剩+丄}2[2πΛ,[ {dj {Dj /I4+/Is [^-D4JJ 2πλρ 、d, J nd,h\其中Cli為埋管內(nèi)徑，m ;d0為埋管外徑，m ;db為鉆孔直徑，m ；D為管子中心距，m ； λ s為 巖土導熱系數(shù)，W/ (m · K) ； λ p為埋管管壁導熱系數(shù)，W/ (m · K) ； λ b為鉆孔回填材料導熱系 數(shù)，W/(m · K) ； λ s為埋管周圍巖土的導熱系數(shù)，ff/(m · K) ；h為循環(huán)水與管壁之間的對流換 熱系數(shù)，W/(m · K)，對流換熱系數(shù)根據(jù)下式計算UrJM/=^ = 0.023 Re0 8Pr"K其中Nu為努謝爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；λ w為水的導熱系數(shù)，W/ (m · K)；加 熱流體時η = 0. 4，冷卻流體時η = 0. 3?？淄馔寥婪欠€(wěn)態(tài)導熱模型為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，其特征 是該一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型的測試方法依次按以下步驟進行(1)輸入基礎數(shù)據(jù)包括埋管及回填料參數(shù)、網(wǎng)格尺寸、最大模擬步數(shù)、時間步長，原始 土壤溫度等。(2)假設土壤導熱系數(shù)及體積比熱。(3)輸入上一時刻巖體溫度、當前時刻熱進口溫度，當前時刻的流速，按如下步驟分別 計算①根據(jù)當前時刻出口溫度T。ut，算得當前熱負荷Q值。②根據(jù)當前進出口水溫，計算循環(huán)水平均溫度Tf值。③根據(jù)當前熱負荷Q，用數(shù)值方法求解圓柱體導熱方程，得到徑向巖土溫度。④由當前時刻平均水溫、孔內(nèi)熱阻、上一時刻和當前時刻巖土溫度計算孔壁處熱流Q2值。⑤計算誤差e= Q-Q2若誤差足夠小，則當前時刻計算完成；若誤差較大，則返回①。(4)更新初始巖體溫度。(5)若最后模擬步已完成，轉(zhuǎn)(6)；否則返回第C3)步，進入下一時刻計算。(6)計算模擬出口溫度與實測出口溫度的方差。(7)若方差最小，結(jié)束，得到導熱系數(shù)以及體積比熱；否則轉(zhuǎn)O)。
全文摘要
一種基于數(shù)據(jù)傳熱模型的測試裝置及其測試方法，該裝置是由水箱、恒溫加熱管、水泵、閥、溫度計、溫度傳感器、壓力表、流量計、電功率傳感器、U型地埋管、數(shù)據(jù)處理器和控制開關(guān)組成，根據(jù)U型地埋管進出口水溫變化數(shù)值、水的流量和壓力數(shù)值及溫度傳感器所采集到的土壤原始溫度數(shù)值，采用一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型進行綜合計算的方法即可得出所測巖土的熱物性參數(shù)。
文檔編號G01N25/20GK102128853SQ20101055677
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者康景文, 施恂根, 王亨林, 趙躍平, 鄔相國, 陳麟, 黃練紅 申請人:中國建筑西南勘察設計研究院有限公司