CN112632788A - 一种岩土热导率分布的热响应测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩土热导率分布的热响应测试的方法，用于测试地下不同深度层内岩土的热导率。本发明首先通过考虑岩土深度方向上的传热，建立埋管换热器的多维瞬态传热模型，模拟换热器中流体的纵向温度分布曲线，然后通过实验测试换热器中不同深度的流体温度分布数据，最后利用多目标优化算法并直接采用流体温分布数据同时预测出多空间层内的岩土热导率分布数据。利用该发明测试出的岩土热导率分布除了具有较高的精度外，还可以克服传统方法分层测试时收敛性较差的问题，同时测试精度不受深度的影响，适用性广，测试效率高。

Description

一种岩土热导率分布的热响应测试方法

技术领域

本发明涉及地源热泵热响应测试技术领域和土壤热物性测试技术领域，特别涉及到一种岩土热导率分布的热响应测试方法。

背景技术

岩土热导率是影响地源热泵系统地下换热的主要因素，是地源热泵负荷和埋管换热器的关键设计参数。由于热响应测试可以避免实验室法由于脱离实际地质条件而产生的误差，获得了广泛的关注和应用，目前已经发展成地源热泵系统中热物性测试最主要的方法。然而其在实施过程中，通常需要假设岩土热物性为均匀分布，即视不同深度的岩土热物性是相同的，但由于岩土的地质特性在不同深度处存在差异，导致热物性在纵向上分布不均，传统热响应测试法无法获得岩土热物性的分布规律，进而无法完成复杂岩土特性下的地源热泵系统的优化设计。

尽管近些年已有部分学者在传统热响应测试方法和模型的基础上，对岩土热导率的分布测试方法进行了研究，但目前仍存在一些亟待解决的问题：

1.目前的技术都采用流体平均温度进行岩土热导率分布测试，由于随着换热器深度的增加，流体平均温度的估算误差也显著提升，最终导致热导率分布的测试误差随着换热器深度的增加而明显增大。

2.测试理论模型皆基于经典线热源或柱热源模型，由于经典模型在短时间热响应测试期间误差较大，故为了获得可靠的热物性测试结果，现有技术通常需要进行长时间的测试(>10小时)，而早期的温度数据在测试过程中通常被舍弃。

3.测试理论模型基于一维解析模型，忽略岩土深度方向的传热，岩土热物性分布的测试只是将传统热响应测试法应用到各单一层中，即：忽略各层间的相互影响而对各层热导率进行单独测试，最终导致不同分层条件下测试结果偏差较大，收敛性较差。

总之，目前关于岩土热导率分布的热响应测试方法在精度和效率上都存在明显的缺陷。

发明内容

本发明的主要发明目的，旨在提供一种岩土热导率分布的热响应测试方法，解决现有技术存在的如上问题和缺陷。

本发明所用的技术方案是：一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其方案步骤为：首先通过分析埋管换热器中管内流体、管道、回填层以及岩土的传热特性，在考虑岩土深度方向传热的基础上建立多维埋管换热器传热模型，然后利用建立的传热模型模拟分析换热器中管内流体的温度分布曲线，再通过搭建分布式热响应测试系统，对管内流体温度分布数据进行测试，最后基于建立的多维传热模型，采用多目标优化算法直接利用流体温度曲线预测出不同深度的岩土热导率分布。

作为优选，多目标优化算法采用遗传算法，用于确定不同层内热导率的最优组合。故基于遗传算法的热导率分布测试的具体步骤为：

1.首先对岩土进行分层，然后进行初始化种群的生成，即：利用计算机在给定的初始取值范围内产生一定数量的热导率的随机数，并分配到各层中，所有层组成一个个体，层数即代表个体长度，所有的个体组成一个种群，该种群为第一代种群。

2.将第一代热导率种群代入到建立的多维埋管换热器传热模型中计算出流体温度分布，确定适用度函数并将计算值和实验值进行对比；

3.依据最小适用度函数原则，利用选择方法对初始热导率种群进行选择，然后再对选择后的热导率种群依次进行交叉、变异，重新生成新的热导率种群；

4.将新生产的种群重新带入到模型中计算流体温度曲线，然后与实验值进行对比，继而在进行下一轮选择、交叉、变异，继续生产新的优化种群，直到最小适用度函数收敛时输出最终的优化种群；

5.依据得到的优化热导率种群重新确定并缩小取值范围，然后重复以上步骤，直至获得稳定收敛的最优热导率个体后输出结果，即为最优热导率分布结果。

综上所述，本发明的有益效果是：本发明通过建立的多维埋管换热器传热模型，并利用多目标优化算法对岩土的热导率分布进行测试，其测试结果代表了不同深度层内热导率值的最优组合或解集，测试中直接采用流体温度曲线，而不需要对流体温度数据进行平均估算；同时本发明在热导率测试过程中考虑了不同层之间的影响，故不需要限制分层的层数和深度，同时对层空间范围内的温度测试点数量没有限制；此外，本发明对测试数据的时间点没有要求，不需要舍弃掉早期测试数据。因此，利用本发明不但可以解决目前技术的缺陷，还可以有效提高测试精度的同时提升测试结果的可靠性，并且可以减少测试时间提升测试效率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的多维埋管换热器传热模型的离散形式；

图2为根据本发明实施例的岩土热导率分布测试流程；

图3为根据本发明实施例的不同分层条件下的热导率分布测试结果的比较。

具体实施方式

以套管埋管换热器为例，本发明的具体实施方式为：首先分析换热器中钻孔内流体、管道、回填层和岩土的传热，其中管内流体的传热为一维非稳态，内管中流体的能量平衡方程可以表示为：

式中T_f1为内管流体温度，dQ₁₂/dz为内外管间的换热量，该方程等号右边第一项代表流体非稳态传热，第二项代表流体沿深度方向的对流换热。外管中的能量平衡方程为：

式中T_f2为外管流体温度，dQ/dz代表换热器流体和周围岩土间的换热量。

在地源热泵制冷工况下，管内的流体温度高于周围岩土，并向其中散热，热传导主导岩土中的传热。对于套管式埋管换热器而言，其传热形式主要为深度方向和径向的二维热传导，故岩土传热控制方程可以表示为：

式中T_s为岩土温度，由热响应测试得到；λ_s,ρc_s分别为岩土热导率(W m^-1K^-1)和体积比热容(J K^-1m^-3)。由于岩土热容对埋管换热器的传热影响相对较小，且与流体温度间的相关性较弱，故目前的热响应测试通常主要针对岩土热导率进行测试。岩土的初始条件可以表示为：

T_s＝T₀,(r_b≤r＜∞,0≤z≤L,t＝0) (4)

T₀为原始土壤温度，通常在热响应测试前通过实验测试出。岩土的外边界，即传热未有波及到的边界，其温度被认为是原始土壤温度：

T_s＝T₀,(r→∞,0≤z≤L,t≥0) (5)

在岩土的内边界，即岩土和钻孔交界处，认为交界壁面处的热流代表进入岩土的热流，等效于岩土边界处的导热热流：

通过对以上传热方程进行离散，并利用数值方法进行求解即可获得流体和岩土的温度变化以及温度场分布。离散形式如图1所示，其中T_{f1 j},T_{f2 j}分别为不同深度处的内、外管流体温度，λ_{s j}为不同深度处的岩土热导率。

在建立的埋管换热器传热模型的基础上，建立套管换热器的分布式热响应测试系统，通过实验获得不同时间下的T_{f1 j},T_{f2 j}分布曲线。然后基于建立的传热模型和流体温度的实验数据，利用遗传算法对不同深度的岩土热导率λ_{s j}进行测试，具体测试步骤如图1所示，详细实施如下：

(1)首先将岩土分为N层，同时确定初始总群包含50个个体，每个个体包括N个变量，即N个λ_{s j}。利用计算机产生在[2.0,4.0]范围内产生50*N个λ_{s j}的随机数，组成50个个体。然后将初始种群带入到建立的传热模型中计算出流体温度分布T_{f1 j},T_{f2 j}；

(2)然后基于适用度函数对初始种群进行选择，本发明确定的适用度函数为：

T_fi,meas为流体温度的测试值，T_fi,cal为基于传热模型的流体温度计算值。基于最小适用度函数的选择标准，并采用锦标赛选择方法对初始种群进行选择；

(3)确定交叉和变异的概率分别为：0.8,0.01，然后对步骤(2)中选择的总群依次进行交叉和迭代，产生新的优选种群，然后将新种群重新代入到模型中计算流体温度分布，并重复进行选择、交叉、变异，当最小适用度函数收敛时输出优选的个体，即一组优选的热导率分布值，收敛判据为：f的变化量≤0.01；

(4)以步骤3中确定的热导率值为基础，重新确定参数的取值范围，用以进一步缩小收索范围，取值范围的上下限分别为：步骤3中热导率测试中最大值和最小值1.1倍。更新取值范围后重复如上3个步骤，进行最优热导率分布的进一步收索，当最优热导率分布测试结果收敛时输出结果，即认为是最优的热导率分布值，收敛判据为：λ_{s j}的变化量≤0.01。

图3分别显示了不同分层条加下岩土热导率分布的测试结果，其中岩土深度为180m，三种分层条件为5层、10层、15层。由对比结果可以发现利用本发明确定的岩土热导率分布在不同分层条件下差异较小，最大偏差小于0.5W m^-1K^-1，分布规律基本一致，这进一步验证了本发明可以基本消除不同分层条件对热导率分布测试的影响，提升了多层测试结果的可靠性。此外，这也进一步证实了本发明中基于考虑岩土深度方向上传热建立多维传热响应测试模型的重要性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于：在考虑岩土深度方向传热的基础上建立埋管换热器的瞬态传热模型；然后基于建立的传热模型，利用多目标优化算法并直接采用流体温度分布数据同时预测出不同深度下的岩土热导率分布结果，其具体实施步骤如下：

(1)针对特定的埋管换热器的热响应测试，通过考虑岩土在深度方向上的热传导，建立埋管换热器的热响应测试理论传热模型，利用建立的模型模拟出换热器管内流体温度在深度方向上的分布曲线；

(2)针对特定的埋管换热器，建立分布式热响应测试的实验系统，测试出不同时刻下管内流体的温度分布数据；

(3)将岩土进行分层，然后利用多目标优化算法并直接采用步骤(2)中的温度分布数据，在给定的收索范围内同时测试出不同层内的岩土热导率分布数据，利用最小适用度函数判别测试结果；

(4)对步骤(3)中得到的岩土热导率依次进行优选，并重复优选步骤直至获得稳定收敛的最小适应度函数，然后输出优选结果；

(5)基于步骤(4)中得到的结果进一步缩小收索范围，重复步骤(3)和(4)，最终获得稳定收敛的不同层内的热导率分布数据。

2.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，建立的埋管换热器热响应测试的理论传热模型为多维，同时考虑了岩土深度方向的传热对换热器传热以及流体温度分布的影响，对于套管换热器传热模型为二维或三维,对于U型埋管换热器传热模型为三维。

3.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，每一层内岩土热导率不但影响对应层内的流体温度变化，而且还会影响到全部深度范围内流体温度曲线的变化。

4.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，测试过程中每一层内岩土热导率值是相互关联，而非孤立的；热导率预测结果为所有层热导率的最优组合或解集，而非单一层内最优热导率的组合。

5.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，测试直接采用埋管内的温度数据，而不需要进行平均温度的估算；同时对测试数据的时域没有要求，可以采用测试早期的数据(前10个小时)，也可以采用测试后期的数据。

6.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，热导率分布测试结果不受分层情况的影响,岩土分层的层数和层深没有限制，根据具体地质情况进行物理分层，也可以依据计算预测条件进行数学分层。

7.根据权利要求1所述的一种岩土热导率分布的热响应测试方法，其特征在于，每层岩土范围内的温度测试点没有限制，测温点可以多于1个，也可以少于1个(0个)。

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