[0001] 本发明涉及岩土源热泵技术领域，具体涉及一种基于热网络法的岩土热物性参数辨识方法。

[0002] 地热能作为一种可再生能源，具有清洁、廉价和可再生的特点。岩土源热泵系统可以有效利用地热能，实现建筑的供冷与供暖；地埋管换热器作为岩土源热泵系统的核心部件，承担着与周围岩土热交换的作用，在系统设计过程中至关重要。岩土的热物性参数决定着换热性能，如何确定岩土的热物性参数，是岩土源热泵系统设计的前提。

[0003] 目前大多数的可用模型基于有限元法（Finite Elements Model，FEM），计算成本高，且无法对短时间内的埋管换热行为进行预测。本发明对钻孔进行垂直离散化，利用热网络法描述了钻孔的径向传热，在保持较低热网格数量和准确性的同时，对埋管短期（10‑15h） 换热行为进行模拟。

[0015] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：本发明提出了一种基于热网络法的岩土热物性参数辨识方法，具体包括如下步骤：
S1，构建地埋管换热器实验模型如图1、图2所示，确定地埋管换热器实验模型包含的结构参数，包括U型管内径、U型管壁厚、U型管中心距、U型管管长和钻孔深度等，及岩土（图1中的待辨识岩土体简称为岩土）所在地理位置与岩土密度；
实验场地位于山东省青岛市城阳区红岛街道邵哥庄村，钻孔深度100m，在地埋管换热器入口处和出口处，设置温度传感器，用于记录逐时U型管进出水温度，分别记为和 ，U型管内径为0.013m，壁厚0.003m，两支管间距为0.075m；
S2，利用构建的地埋管换热器实验模型，进行原位热响应实验，并记录实验过程中的地埋管换热器的进出口温度和岩土温度数据；测试过程中的实验参数包括U型管导热系数、实验时长、加热功率、管内流体的密度及比热容、岩土体的初始温度、实验过程中的空气温度等；
热响应实验处于冬季，实验时长为47.25h，每分钟记录一次实验数据；管材导热系
3
数为0.4W/（m•℃）；热注入功率在0‑5400W之间波动，管内流体密度为1000kg/m ，比热容为
4.19kJ/（kg•℃）；岩土初始温度为14℃，实验过程中的空气温度由传感器获得，记为 ；
S3，基于S1中地埋管换热器实验模型的结构参数、边界条件及气候参数，以及S2中的实验参数，并基于热网络法建立对应的地埋管换热器仿真模型；
该仿真模型包括地埋管换热器模块、水箱模块、实验数据读取模块、计算器模块和结果显示模块等，所涉及边界条件、结构参数和实验参数与S1中保持一致；地埋管换热器模块基于热网络方法，考虑了U型管与岩土垂直方向上的离散域，其中每个节点深度包括5个热容和6个热阻，如图3所示；此外，该模型还考虑了岩土、浆液和管道的热特性，忽略了垂直方向上的热传导；
该仿真模型中，地埋管换热器流体节点的瞬态能量方程如公式（2）和公式（3）所示：
  （2）
  （3）
公式（2）中， 为深度 处，入口侧U型管管内流体温度（℃）， 为深度 处，出口侧U型管管内流体温度（℃），为管内流体速度（m/s）， 为流体热容（J/℃）， 为入口侧U型管至钻孔壁间回填材料的热阻（℃/W）， 为管道节点间回填材料的热阻（℃/W）；公式（2）中， 为深度 处入口侧U型管管壁温度（℃），公式（3）中， 为深度 处出口侧U型管管壁温度（℃）， 为出口侧U型管至钻孔壁间回填材料的热阻（℃/W）；
该仿真模型中，地埋管换热器灌浆节点的能量方程如公式（4）和公式（5）所示：
  （4）
  （5）
公式（4）中， 为入口侧U型管附近回填材料的热容（J/℃）， 为钻孔回填材料节点间的热阻（℃/W）， 为岩土的热阻（℃/W）， 为深度 处岩土的温度（℃）；公式（5）中为出口侧U型管附近回填材料的热容（J/℃）；
该仿真模型中，岩土节点能量方程如公式（6）所示：
 （6）
公式（6）中， 为岩土的热容（J/℃）； 为岩土的热阻（℃/W）； 为深度 处岩土的温度（℃）；
该仿真模型中，地埋管换热器的数值解如公式（7）‑公式（11）所示：
入口侧U型管节点 ，在时刻 时的管内流体温度为：
（7）
出口侧U型管节点 ，在时刻 时的管内流体温度为：
（8）
入口侧U型管附近回填材料在节点 ，第 时刻的温度为：
（9）
出口侧U型管附近回填材料在节点 ，第 时刻的温度为：
（10）
岩土在节点 ，第 时刻的温度为：
（11）
如图6所示，S4，基于S3所建立的地埋管换热器仿真模型，模拟热响应实验，获得地埋管换热器的进出口温度，分别记为 和 ；
S5，利用S2与S4中的热响应实验数据，结合最小二乘法建立目标函数，如公式（1）所示：
（1）
公式（1）中，为目标函数； 为测点的数量；为模拟步长； 为地埋管换热器仿真模型在第 个测点，时刻 时的温度（℃）； 为地埋管换热器实验模型在第 个测点，时刻 时的温度（℃）；
S6，基于Hoke‑Jeeves算法（模式搜索算法），对目标函数进行优化；优化方式如图4所示，利用初始热物性参数进行仿真计算，将计算结果与实验结果带入目标函数中，当误差满足要求，则输出优化的热物性参数，否则，修改热物性参数，带入仿真模型进行迭代计算，直至误差符合要求；具体步骤以下：
S6.1，设定岩土的热物性参数初始值 ，个坐标方向 ,初始步长 ，加
速因子 ，缩减率 ，允许误差 ，并设置 ， ， ；
如图5所示，优化变量共四个，分别为回填材料的导热系数 、其比热容为 ，周围岩土的导热系数 、其比热容为 ，fopt表示目标函数的值，模拟与实际值差值的平方；fopt越小则表明差距越小，优化出的热物性参数值越接近实际值；导热系数初始值设为1，步长
0.1，变量范围为[1,2.5]；比热容初始值设置为500，步长1，变量范围为[500,2000]；
S6.2，计算 ，若 ，则设 ，转至
S6.4；否则，转到S6.3；
S6.3，计算 ，若 ，则设 ，转至
S6.4；否则， ；
S6.4，若 ，则 ，转至S6.2；否则，转至S6.5；
S6.5，若 ，转至S6.6；否则，转至S6.7；
S6.6，令 ，则设 ， ， ，转至
S6.2；
S6.7，若步长 ，则退出迭代，输出最优解 ；否则，设 ， ，
；令 ， ，转至S6.2；
S7，输出目标函数的最优解，确定岩土热物性参数。

[0016] 为验证本发明辨识热物性参数的有效性，基于山东省青岛市城阳区红岛街道邵哥庄村的热响应实验，建立对应仿真模型，进行模拟热响应实验；构建目标函数，通过Hoke‑Jeeves算法（模式搜索算法），对目标函数进行优化，迭代过程如图5所示，得到最优解，并输出岩土热物性参数；地埋管换热器进出口温度的实验值与模拟值的比较，如图6所示；可以看出，模拟结果与实验结果温和良好，验证了本发明的可行性与准确性。

[0017] 最后应说明的是：该实例并非仅用于说明该发明的技术方案，并非对本发明的限制；对于本领域的普通技术人员而言，在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。