[發明專利]一種巖土熱導率分布的熱響應測試方法

有效

• 申請號: 202011578350.8
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112632788B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 年永樂;王湘陽;程文龍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/06;G06F113/08;G06F119/08
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 金惠貞

本發明提供一種巖土熱導率分布的熱響應測試的方法，用于測試地下不同深度層內巖土的熱導率。本發明首先通過考慮巖土深度方向上的傳熱，建立埋管換熱器的多維瞬態傳熱模型，模擬換熱器中流體的縱向溫度分布曲線，然后通過實驗測試換熱器中不同深度的流體溫度分布數據，最后利用多目標優化算法并直接采用流體溫分布數據同時預測出多空間層內的巖土熱導率分布數據。利用該發明測試出的巖土熱導率分布除了具有較高的精度外，還可以克服傳統方法分層測試時收斂性較差的問題，同時測試精度不受深度的影響，適用性廣，測試效率高。

技術領域

本發明涉及地源熱泵熱響應測試技術領域和土壤熱物性測試技術領域，特別涉及到一種巖土熱導率分布的熱響應測試方法。

背景技術

巖土熱導率是影響地源熱泵系統地下換熱的主要因素，是地源熱泵負荷和埋管換熱器的關鍵設計參數。由于熱響應測試可以避免實驗室法由于脫離實際地質條件而產生的誤差，獲得了廣泛的關注和應用，目前已經發展成地源熱泵系統中熱物性測試最主要的方法。然而其在實施過程中，通常需要假設巖土熱物性為均勻分布，即視不同深度的巖土熱物性是相同的，但由于巖土的地質特性在不同深度處存在差異，導致熱物性在縱向上分布不均，傳統熱響應測試法無法獲得巖土熱物性的分布規律，進而無法完成復雜巖土特性下的地源熱泵系統的優化設計。

盡管近些年已有部分學者在傳統熱響應測試方法和模型的基礎上，對巖土熱導率的分布測試方法進行了研究，但目前仍存在一些亟待解決的問題：

1.目前的技術都采用流體平均溫度進行巖土熱導率分布測試，由于隨著換熱器深度的增加，流體平均溫度的估算誤差也顯著提升，最終導致熱導率分布的測試誤差隨著換熱器深度的增加而明顯增大。

2.測試理論模型皆基于經典線熱源或柱熱源模型，由于經典模型在短時間熱響應測試期間誤差較大，故為了獲得可靠的熱物性測試結果，現有技術通常需要進行長時間的測試(10小時)，而早期的溫度數據在測試過程中通常被舍棄。

3.測試理論模型基于一維解析模型，忽略巖土深度方向的傳熱，巖土熱物性分布的測試只是將傳統熱響應測試法應用到各單一層中，即：忽略各層間的相互影響而對各層熱導率進行單獨測試，最終導致不同分層條件下測試結果偏差較大，收斂性較差。

總之，目前關于巖土熱導率分布的熱響應測試方法在精度和效率上都存在明顯的缺陷。

發明內容

本發明的主要發明目的，旨在提供一種巖土熱導率分布的熱響應測試方法，解決現有技術存在的如上問題和缺陷。

本發明所用的技術方案是：一種巖土熱導率分布的熱響應測試方法，其方案步驟為：首先通過分析埋管換熱器中管內流體、管道、回填層以及巖土的傳熱特性，在考慮巖土深度方向傳熱的基礎上建立多維埋管換熱器傳熱模型，然后利用建立的傳熱模型模擬分析換熱器中管內流體的溫度分布曲線，再通過搭建分布式熱響應測試系統，對管內流體溫度分布數據進行測試，最后基于建立的多維傳熱模型，采用多目標優化算法直接利用流體溫度曲線預測出不同深度的巖土熱導率分布。

作為優選，多目標優化算法采用遺傳算法，用于確定不同層內熱導率的最優組合。故基于遺傳算法的熱導率分布測試的具體步驟為：

1.首先對巖土進行分層，然后進行初始化種群的生成，即：利用計算機在給定的初始取值范圍內產生一定數量的熱導率的隨機數，并分配到各層中，所有層組成一個個體，層數即代表個體長度，所有的個體組成一個種群，該種群為第一代種群。

2.將第一代熱導率種群代入到建立的多維埋管換熱器傳熱模型中計算出流體溫度分布，確定適用度函數并將計算值和實驗值進行對比；

3.依據最小適用度函數原則，利用選擇方法對初始熱導率種群進行選擇，然后再對選擇后的熱導率種群依次進行交叉、變異，重新生成新的熱導率種群；