专利名称：一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法
技术领域：
发明专利属于建筑勘察施工领域，特别涉及一种针对地源热泵应用的岩土热物性 参数测试的测试装置和测试方法。
背景技术：
地源热泵系统是一种利用可再生浅层地热能进行空调采暖的新形式。地源热泵系 统利用向土壤吸收、排放热量利用地温全年相对稳定的特性，保证机组高效运行，从而减少 对不可再生能源的利用和温室气体排放以达到节能减排的目的。地源热泵空调在我国每年 以20% -25%的速度增长，规模从中小型建筑转向大型建筑、建筑群、小区，有的工程达到 几十万平方米，其中竖埋U型管式地源热泵应用较多。地源热泵在我国发展迅速，但有的工程缺乏科学设计。竖埋U型管式地源热泵成 功与否的关键在于地下换热器，地下换热器直接影响到工程经济性以及长期运行的换热效 果。地下换热器的设计以岩土热物性参数为基础。Kavanaugh的一项研究表明，当土壤的导 热系数或导温系数发生10%的误差，则设计的地下埋管长度偏差为4. 5 5. 8%，并将导致 钻孔总长度的变化。目前国际上确定上述参数的方法有两种，IGSHPA(国际地源热泵学会) 确定的方法是根据钻探取出的岩土样本查表确定的方法。Austin等人建立了一套用于现场 测试土壤热物性的装置，并采用二维数值方法得到土壤的导热系数，但其计算时间可能长 达数百小时。与国外的研究相比，国内在此领域的研究还很薄弱。根据《地源热泵系统工程技术 规范》(GB50366-2005)附录B中所列出的导热系数、热扩散率等均是引自国外。将这个附 表中数据作为我国的规范，也是迫不得已的事情。由于各地地质结构的千差万别，查表法获 取导热系数以及体积比热不够准确，目前公认的方法是现场热响应测试，我国《地源热泵系 统工程技术规范》(GB50366-2005) 2009年修订版已经加入了必须进行现场热响应测试的相 关条文。目前的测试仪多基于近似线热源解析模型或柱热源解析模型，其基本假设是恒热 流，对测试条件比较苛刻。实践表明测试时间要求至少48小时，并且限于模型的准确性，一 般前10小时的数据不能参与热物性参数计算。鉴于此，研究土壤的导热系数和体积比热现场测试装置及快速准确地算法，是非 常必要并且是迫切的。

发明内容
为了解决以上问题，本发明专利提供一种基于数据传热模型的测试装置及其测试 方法，利用该测试装置及其测试方法可以快速测出该地域岩土热性的导热系数和体积比热值。本发明是通过这样的方式来实现的在水箱(10)的输出端顺序连接阀(1)、流量 计O)、压力表(3)、温度计(4)和U型水管(5)，U型水管的另一端与温度计(6)、压力表(7)、水泵⑶和阀(9)顺序连接，阀(9)的另一端与水箱(10)连接，在水箱内设置有加热 管，流量计(2)、压力表(3) (7)、温度计(4) (6)和温度传感器(12)分别与数据处理器(11) 连接，采用一维非稳态数值模型对所测地域岩土的热物性进行综合计算，其中的加热管呈U 型结构，利于快速加热水温。测试方法按以下步骤操作①先不开启加热器，只开动水泵，待U型地埋管进出水温稳定时，将其作为土壤原 始温度，同时在土壤中埋温度传感器，直接测量土壤原始温度。②开启加热器，循环水泵，同时记录U型地埋管进出水温、进出压力、电功率以及 流量，作为土壤综合导热系数以及体积比热的计算基础数据。③现场测试完毕，输入测试数据，通过一维非稳态数值模型计算出土壤综合导热 系数以及体积比热。该一维非稳态数值模型采用如下方案流体集总处理，平均水温计算模型如下
权利要求
1.一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，其特征是在水箱(10)的输出端 顺序连接阀(1)、流量计O)、压力表(3)、温度计(4)和U型水管(5)，U型水管的另一端与 温度计(6)、压力表(7)、水泵(8)和阀(9)顺序连接，阀(9)的另一端与水箱(10)连接，在 水箱内设置有加热管，流量计O)、压力表⑶(7)、温度计⑷(6)和温度传感器(12)分别 与数据处理器(11)连接，采用一维非稳态数值模型对所测地域岩土的热物性进行综合计 笪弁。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，其特征 是加热管呈U型结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，其特征 是测试方法按以下步骤操作①先不开启加热器，只开动水泵，待U型地埋管进出水温稳定时，将其作为土壤原始温 度，同时在土壤中埋温度传感器，直接测量土壤原始温度。②开启加热器，循环水泵，同时记录U型地埋管进出水温、进出压力、电功率以及流量， 作为土壤综合导热系数以及体积比热的计算基础数据。③现场测试完毕，输入测试数据，通过一维非稳态数值模型计算出土壤综合导热系数 以及体积比热。
4.根据权利要求3所述的一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，其特征 是该一维非稳态数值模型采用如下方案流体集总处理，平均水温计算模型如下T — Tm + T。ut ‘—~2~其中Tf为平均水温，°C ;Tin为换热器进口温度，°C ;T。ut为换热器进口温度，°c。单位深度换热孔中从流体到孔壁的传热表述为α =^r Rb其中Tb为孔壁平均温度，0C5Qr为单位孔深的吸放热量，(ff/m) ；Rb为钻孔热阻，(m. K)/ W，钻孔热阻采用如下模型计算求得丄[4斗丨料丄剩+丄}2[2πΛ,[ {dj {Dj /I4+/Is [^-D4JJ 2πλρ 、d, J nd,h\其中Cli为埋管内径，m ;d0为埋管外径，m ;db为钻孔直径，m ；D为管子中心距，m ； λ s为 岩土导热系数，W/ (m · K) ； λ p为埋管管壁导热系数，W/ (m · K) ； λ b为钻孔回填材料导热系 数，W/(m · K) ； λ s为埋管周围岩土的导热系数，ff/(m · K) ；h为循环水与管壁之间的对流换 热系数，W/(m · K)，对流换热系数根据下式计算UrJM/=^ = 0.023 Re0 8Pr"K其中Nu为努谢尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；λ w为水的导热系数，W/ (m · K)；加 热流体时η = 0. 4，冷却流体时η = 0. 3。孔外土壤非稳态导热模型为
5.根据权利要求3所述的一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，其特征 是该一维非稳态数值模型的测试方法依次按以下步骤进行(1)输入基础数据包括埋管及回填料参数、网格尺寸、最大模拟步数、时间步长，原始 土壤温度等。(2)假设土壤导热系数及体积比热。(3)输入上一时刻岩体温度、当前时刻热进口温度，当前时刻的流速，按如下步骤分别 计算①根据当前时刻出口温度T。ut，算得当前热负荷Q值。②根据当前进出口水温，计算循环水平均温度Tf值。③根据当前热负荷Q，用数值方法求解圆柱体导热方程，得到径向岩土温度。④由当前时刻平均水温、孔内热阻、上一时刻和当前时刻岩土温度计算孔壁处热流Q2值。⑤计算误差e= Q-Q2若误差足够小，则当前时刻计算完成；若误差较大，则返回①。(4)更新初始岩体温度。(5)若最后模拟步已完成，转(6)；否则返回第C3)步，进入下一时刻计算。(6)计算模拟出口温度与实测出口温度的方差。(7)若方差最小，结束，得到导热系数以及体积比热；否则转O)。
全文摘要
一种基于数据传热模型的测试装置及其测试方法，该装置是由水箱、恒温加热管、水泵、阀、温度计、温度传感器、压力表、流量计、电功率传感器、U型地埋管、数据处理器和控制开关组成，根据U型地埋管进出口水温变化数值、水的流量和压力数值及温度传感器所采集到的土壤原始温度数值，采用一维非稳态数值模型进行综合计算的方法即可得出所测岩土的热物性参数。
文档编号G01N25/20GK102128853SQ20101055677
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者康景文, 施恂根, 王亨林, 赵跃平, 邬相国, 陈麟, 黄练红 申请人:中国建筑西南勘察设计研究院有限公司