复合线热源模型应用于岩土热响应试验时中断与测试时间分析_中国暖通空调网 - 技术交流
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模拟·论文

复合线热源模型应用于岩土热响应试验时中断与测试时间分析
2018-02-28 | 中国暖通空调网 |【
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黄 峙1,胡平放2,雷 飞2,朱 娜2,江章宁2,邬田华3,邢 路3
1. 中国舰船研究设计中心;2. 华中科技大学环境科学与工程学院;3. 华中科技大学能源与动力工程学院

[摘 要]针对岩土热响应试验中的常见的停电及测试时间选取的问题,建立了复合线热源模型,该模型消除了钻孔内稳态传热的假设,更接近实际情况。同时,利用复合线热源模型对不同停电前已测试时间、不同停电持续时间、不同测试持续时间等工况进行了模拟研究。结果表明:复合线热源模型能有效的处理短时间停电情况下的测试数据,得出准确的测试结果,避免了以往等待恢复初始地温后再次重新开始测试的情形;另外,采用复合线热源模型,能够将最短测试时间由48h 缩短至35h

[关键词]U 型地埋管;岩土热响应试验;复合线热源模型

目前国内常用的地源热泵U 型地埋管数学模型为线热源模型[1-2],该模型适用在定功率条件下,且假设钻孔内的换热过程为稳态传热过程。这两个条件往往在应用的过程中很难完全满足。为解决此类问题,Beier利用叠加原理提出了等价时间方法以实现在停电情况下进行岩土热物性参数的计算,为岩土热物性测试降低了测试时间和费用[3]。杨卫波与施明恒基于经典常热流线热源理论,通过引入叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻思想将其发展为能够适用于变热流埋管换热与地源热泵系统模拟的变热流线热源模型[4]。胡平放等提出了复合线热源模型,较普通线热源模型的优势在于消除了钻孔内稳态传热的假设,更接近实际情况[5]。本文利用该复合线热源模型,研究其应用于岩土热响应试验时中断与测试时间问题。

1 模型

复合线热源模型将U 型管等价为一根当量管,当量直径计算式为(1)所示:

dw=db/exp(2πλg Rb)  1

式中:db 表示钻孔直径,λg 表示回填材料导热系数,Rb 表示钻孔内热阻,单U 型管钻孔内热阻的表达式如式(2)所示。

U 型管钻孔内热阻的表达式如式(3)所示:

式中:do 表示U 型埋管外径(m);di 表示U 型埋管内径(m);d 表示钻孔内最远两根埋管间距(m);λs 表示周围土壤的导热系数(W/(m·K));λp 表示管壁的导热系数(W/(m·K));h 表示流体与管壁间的对流换热系数(W/(m2·K))。

复合线热源τ 时刻埋管内流体表面至影响半径之间的导热热阻Rw 和埋管内循环流体温度Tf 随时间τ 变化的表达式为(4, 5)所示:

Tf(τ)=Tff +qlRw(τ)  5

式中:ρgCg表示回填材料容积比热容(J/(m3·K));ρsCs表示钻孔周围岩土容积比热容(J/(m3·K));Tff表示未受扰动土壤初始温度;ql表示U型管单位长度埋管释放的热流量(W/m)。

该复合线热源模型可在停电等原因导致中断、电压不稳、功率波动等情况下得到准确的计算结果。

2 模拟结果及分析

2.1 停电对岩土热响应试验结果的影响分析

测试过程中,由于现场情况的复杂,经常会出现停电、跳闸、电压不稳等情况,从而导致现在常用的定功率线热源模型无法处理测试数据。按照规范[2] 规定:如果测试过程中出现停电等功率改变的情况,则须等钻孔内温度恢复到土壤初始温度才能再次开始测试。若停电后重新开始测试,需要等土壤温度恢复到初始温度,但恢复过程较缓慢,影响进度,耗费人力物力。在此,对复合线热源模型在停电情况下的应用展开研究。

考虑仅停电一次的情况下的岩土热物性测试,各个阶段的时间定义如图1 所示。图1 中:A 表示停电前已测试时间,属于测试开始阶段,加热器开启,埋管中流体温度随时间的增加而快速增加。B 表示停电持续时间,测试过程中可能碰到供电故障、跳闸等情况,导致流体温度逐渐下降。C 表示补偿测试时间,当电力重新恢复后,测试重新进行,逐渐冷却的流体温度再次被加热直到测试结束。D 表示测试结束后,土壤回复到初始地温所需要的时间。E=A+C 表示本次测试过程中,处于加热状态下的有效测试时间。F=A+B+C 表示该测试项目的总耗费时间。由于要研究的停电情况较多,试验数据有限,故采用MATLAB 三维数值模型[6-7] 来代替实测数据。

停电情况下测试过程中各时间段定义
1 停电情况下测试过程中各时间段定义

2.1.1 F=48h,停电前已测试时间A 和停电持续时间B对岩土热物性测试结果影响

选取某测试孔进行模拟分析,分别用MATLAB 三维数值模型模拟以下情况:项目总耗时F=48h,测试流量为1.2m3/h,加热功率为3000W,停电前已测试时间A=2h10h20h40h,停电持续时间B=0.5h1h2h4h8h。模拟完成后,用复合线热源模型反演计算各测试情况,结果如表1 和表2 所示。

1 F=48h 时,不同停电情况下反演得出的土壤导热系数与不停电情况相对误差

2 F=48h 时,不同停电情况下反演得出的土壤容积比热容与不停电情况相对误差
 F=48h 时,不同停电情况下反演得出的土壤容积比热容与不停电情况相对误差

由表1、表2 可以看出,在F=48h 情况下,测试中如果停电时间小于8h,无论停电发生在哪个时间段,对于复合线热源反演得出的导热系数和比热容影响均在3% 以下,基本可以忽略不计。因此,如果测试过程出现短暂停电,采用复合线热源模型可得到较准确的结果。

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