專(zhuān)利名稱(chēng)：地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀和測(cè)試方法
地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀和測(cè)試方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于暖通空調(diào)新技術(shù)地源熱泵地埋管系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及地下 換熱器周?chē)貙拥脑粺嵛镄约暗芈窆軗Q熱量的測(cè)試儀和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用，大量地源熱泵工程有成功有失敗，究其原 因主要是地源熱泵的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了較大的偏差。
目前地源熱泵的設(shè)計(jì)主要是依賴(lài)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際的地質(zhì)條件、 水文條件和地溫分布條件來(lái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。
實(shí)驗(yàn)室的地層熱物性測(cè)試在取樣、運(yùn)輸、測(cè)試等一系列過(guò)程中無(wú)可避免的破壞了 地層的原位特性，不能真實(shí)地反映鉆孔周?chē)貙拥木C合熱物性參數(shù)，因而2005年11月發(fā)布 的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(2009年版)規(guī)定了當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面 積在5000m2以上，或?qū)嵤┝说貙訜犴憫?yīng)試驗(yàn)的項(xiàng)目，應(yīng)利用地層熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行地埋 管換熱器的設(shè)計(jì)。
目前國(guó)內(nèi)有不少科研單位或?qū)W校研制了地層熱響應(yīng)測(cè)試儀，但是現(xiàn)有的設(shè)備存在 著以下不足不能同時(shí)模擬換熱量和熱導(dǎo)率測(cè)試兩種模式；因?yàn)榕渲昧怂?，極大地增加 了系統(tǒng)的體積，運(yùn)輸不便；系統(tǒng)運(yùn)行還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有地源熱泵現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試裝置的不足之處，提供了一種 地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀和測(cè)試方法，該測(cè)試儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、 操作方便、成本低、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種地源熱泵的地層原位熱物 性及地埋管換熱量測(cè)試儀，其特征在于該裝置包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。
其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器1、循環(huán)水泵2、電加熱器3、膨脹罐4、排氣閥7、特 制接頭14、U型地埋管15、三通閥8和補(bǔ)水閥9所構(gòu)成，流量傳感器1 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試 儀入口 A端連接，該段管道上接有三通閥8，測(cè)試儀補(bǔ)水口 C端接在三通閥8下端管道上，在 測(cè)試儀補(bǔ)水口 C端管道上接有補(bǔ)水閥9，流量傳感器1的另一側(cè)通過(guò)管道和循環(huán)水泵2相 接，循環(huán)水泵2上部通過(guò)管道與電加熱器3下部連接，電加熱器3上部通過(guò)管道與膨脹罐4 相連，電加熱器3的一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀出口 B端連接，該處管道上接有排氣閥7，測(cè)試儀 入口 A端通過(guò)特制接頭14與U型地埋管15的出口連接，測(cè)試儀出口 B端通過(guò)特制接頭14 與U型地埋管15的入口連接；測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器1、溫度傳感器5、壓力傳感器6、功率傳感器13所構(gòu)成，流量傳 感器1 一端接在測(cè)試儀入口 A端管道上，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12相連，在流量傳感器1和測(cè) 試儀入口 A端相連接的管道上及電加熱器3和測(cè)試儀出口 B端相連接的管道上分別安裝T1和T2溫度傳感器5及P1和P2壓力傳感器6，在測(cè)試儀箱體內(nèi)部和外部分別布置T3和T4溫 度傳感器5，所述的1\、T2, T3、T4溫度傳感器5、P1和P2壓力傳感器6的另一端和監(jiān)控系統(tǒng) 12相連，功率傳感器13 —端和電加熱器3相連，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12相連；監(jiān)控系統(tǒng)12由儀表系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成，其中儀表系統(tǒng)的模擬量測(cè)量模塊一端 與流量傳感器1、溫度傳感器5、壓力傳感器6、功率傳感器13相連接，另一端與A/D轉(zhuǎn)換模 擬輸入模塊相連接，PLC —端和A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連接，另一端通過(guò)系統(tǒng)I/O 口與人 機(jī)界面、開(kāi)關(guān)量輸出相連接，人機(jī)界面與U盤(pán)存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)連接，另為系統(tǒng)提供配套電源 及風(fēng)扇；操作控制系統(tǒng)的組成為220V交流電源，該電源通過(guò)相序保護(hù)繼電器與儀表開(kāi)關(guān)、 儀表電源連接；同時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11與儀表電源并聯(lián)；通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11上 的旋鈕開(kāi)度來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)380V交流電源10通過(guò)相序保護(hù)繼電器、接觸器開(kāi)關(guān)與 電加熱器3連接，電加熱器3與功率傳感器13輸入端相連，以上所有電源均來(lái)自于供電電 源10 ；上述流量傳感器1為L(zhǎng)WGY-25渦輪流量傳感器，用以產(chǎn)生與流量值相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)； 溫度傳感器5為PT100，用以產(chǎn)生與溫度值相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；壓力傳感器6為HM20-1 型壓力變送器，用以產(chǎn)生與壓力值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；功率傳感器的型號(hào)為H(-6013，用以 產(chǎn)生與功率值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；電加熱器3的額定加熱功率為12KW，保證足夠的加熱功 率，通過(guò)控制加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱器3加熱功率的控制；對(duì)循環(huán)水泵2進(jìn)行了伺服電機(jī) 改造，智能調(diào)速儀型號(hào)為XMT-30001D，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)液 流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；兩個(gè)循環(huán)水泵型號(hào)為PWN-162，可以按照設(shè)定的時(shí)間輪流使用，減輕了連 續(xù)運(yùn)行時(shí)過(guò)熱對(duì)測(cè)試的影響，也延長(zhǎng)了循環(huán)水泵的使用壽命。
測(cè)試儀中的連接管道、接頭、彎頭和三通采用的是DN32的不銹鋼管，膨脹罐4電弧 焊接在電加熱器的上端，壓力傳感器6電弧焊接在電加熱器3的一側(cè)，連接循環(huán)水泵2和電 加熱器3的管道部分電弧焊接在電加熱器3下端，測(cè)試儀管路循環(huán)系統(tǒng)其他部件在循環(huán)管 路中的連接均是通過(guò)連接管道、接頭、彎頭或三通螺紋連接，兩個(gè)循環(huán)水泵2并聯(lián)在管路循 環(huán)系統(tǒng)中。
上述U型地埋管15是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先埋好的，埋管內(nèi)充滿(mǎn)水并對(duì)端口進(jìn)行了密封， 鉆孔已回填，這一部分不屬于本測(cè)試儀的裝置范圍。
上述連接測(cè)試儀進(jìn)出口兩端與U型地埋管15兩端的特制接頭14是由兩個(gè)DN32 的90度彎頭和一個(gè)DN32的直流三通電弧焊接而成，連接的是雙U型的U型地埋管15，特制 接頭14和測(cè)試儀部分的連接是螺紋連接，在接U型地埋管的一端需和一端帶有內(nèi)螺紋另一 端可以和U型地埋管熱熔連接的接頭相連；如果是單U型的地埋管就不需要特制接頭14， 只需要上述的帶有內(nèi)螺紋的接頭即可將測(cè)試儀和U型地埋管15相連接，因常用的地埋管為 DN25或DN32的HDPE管，故常用的接頭為DN25或DN32的帶內(nèi)螺紋的PE接頭，測(cè)試儀的管 徑和U型地埋管15的管徑不一致時(shí)，中間用DN32-DN25的PE變徑接頭熱熔連接。
上述A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊的型號(hào)為04AD-E2 ；PLC的型號(hào)為DVP16ES2 ；人機(jī)界面 的型號(hào)為D0P-B07S211，人機(jī)界面帶有U盤(pán)多程序存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)容量的大小取決于外接U 盤(pán)的內(nèi)存大小，在整個(gè)工作過(guò)程中，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)將被保存到可移動(dòng)U盤(pán)中，方便拷貝數(shù) 據(jù)；任意時(shí)刻的測(cè)試數(shù)據(jù)將在人機(jī)界面上顯示，人機(jī)界面還帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可以將 測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，利用組態(tài)王軟件可以將顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并以圖形曲線的形式顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，觀測(cè)到的結(jié)果也可以在PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)；在測(cè)試儀處安裝發(fā)射 器，在遠(yuǎn)處的PC機(jī)處(200米范圍內(nèi))安裝接收器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的觀測(cè)和存儲(chǔ)。
使用上述測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試的方法，其測(cè)試步驟如下 第一步測(cè)試前的準(zhǔn)備。
將灌裝循環(huán)液的地埋管埋設(shè)在按設(shè)計(jì)要求鉆好孔的地層中，鉆孔回填后，放置2 3 天，使得地溫恢復(fù)到初始狀態(tài)，減少鉆孔對(duì)地層的擾動(dòng)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確。
將測(cè)試儀循環(huán)管道的A、B兩端分別與U型地埋管15的兩端用特制接頭14相連 接，至此即形成一個(gè)完整的回路。
接通電源后，打開(kāi)排氣閥7、補(bǔ)水閥9、將三通閥8開(kāi)向排氣狀態(tài)，開(kāi)啟循環(huán)水泵2， 調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值，通過(guò)補(bǔ)水端C將循環(huán)回路中充滿(mǎn)水，排出循環(huán)回路中 的氣體，關(guān)閉排氣閥7、補(bǔ)水閥9，將三通閥8開(kāi)向循環(huán)狀態(tài)，測(cè)試準(zhǔn)備完畢，可以開(kāi)始測(cè)試工作。
第二步模式選擇。
選擇地層熱物性測(cè)試模式或地埋管換熱量測(cè)試模式。
兩種測(cè)試模式的測(cè)試原理分別如下 (1)地下?lián)Q熱器的散熱量測(cè)試地埋管散熱量主要是模擬空調(diào)系統(tǒng)夏季的實(shí)際運(yùn)行工況，在給定地埋管進(jìn)出口溫度的 情況下，確定每米孔深的換熱量。
權(quán)利要求
1.一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，其特征在于它包括管路循 環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器(1)、循環(huán)水泵(2)、電加熱 器(3)、膨脹罐(4)、排氣閥(7)、特制接頭(14)、U型地埋管(15)、三通閥(8)和補(bǔ)水閥(9)所 構(gòu)成，流量傳感器(1) 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀入口(A)端連接，該段管道上接有三通閥(8)， 測(cè)試儀補(bǔ)水口(C)端接在三通閥(8)下端管道上，在測(cè)試儀補(bǔ)水口(C)端管道上接有補(bǔ)水閥 (9),流量傳感器(1)的另一側(cè)通過(guò)管道和循環(huán)水泵(2)下部相接，循環(huán)水泵(2)上部通過(guò)管 道與電加熱器(3)下部連接，電加熱器(3)上部通過(guò)管道與膨脹罐(4)相連，電加熱器(3)的 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀出口(B)端連接，該處管道上接有排氣閥(7)，測(cè)試儀入口(A)端通 過(guò)特制接頭(14)與U型地埋管(15)的出口連接，測(cè)試儀出口(B)端通過(guò)特制接頭(14)與 U型地埋管(15)的入口連接；所述的測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器(1)、溫度傳感器(5)、壓力傳感器(6)、功率傳感器(13) 所構(gòu)成，流量傳感器(1) 一端接在測(cè)試儀入口(A)端管道上，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連， 在流量傳感器(1)和測(cè)試儀入口(A)端相連接的管道上及電加熱器(3)和測(cè)試儀出口(B) 端相連接的管道上分別安裝T1和T2溫度傳感器(5)及P1和P2壓力傳感器(6)，在測(cè)試儀箱 體內(nèi)部和外部分別布置T3和T4溫度傳感器(5 )，所述T1、T2、T3、T4溫度傳感器(5 )、P1和P2 壓力傳感器(6)的另一端分別和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連，功率傳感器(13) —端和電加熱器(3) 相連，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連；所述的監(jiān)控系統(tǒng)(12)由儀表系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成，其中儀表系統(tǒng)的組成為模擬 量測(cè)量模塊一端分別與流量傳感器(1)、溫度傳感器(5)、壓力傳感器(6)、功率傳感器(13) 相連，另一端與A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連，PLC—端和A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連，另一端 通過(guò)系統(tǒng)I/O 口與人機(jī)界面、開(kāi)關(guān)量輸出相連接，人機(jī)界面與U盤(pán)存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)連接，另 為系統(tǒng)提供配套電源及風(fēng)扇；操作控制系統(tǒng)的組成為220V交流電源，該電源通過(guò)相序保 護(hù)繼電器與儀表開(kāi)關(guān)、儀表電源連接；同時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)與儀表電源并聯(lián)；通過(guò)調(diào) 節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)上的旋鈕開(kāi)度來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)380V交流電源通過(guò)相序保 護(hù)繼電器、接觸器開(kāi)關(guān)與電加熱器(3)連接，電加熱器(3)與功率傳感器(13)輸入端相連， 以上所有電源均來(lái)自于供電電源(10 )。
2.一種用地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀的測(cè)試方法，其特征在于 測(cè)試步驟如下A、測(cè)試前的準(zhǔn)備將灌裝循環(huán)液的地埋管埋設(shè)在按設(shè)計(jì)要求鉆好孔的地層 中，鉆孔回填后，放置2 3天，使得地溫恢復(fù)到初始狀態(tài)，減少鉆孔對(duì)地層的擾動(dòng)，保證測(cè)量 結(jié)果的準(zhǔn)確，將測(cè)試儀循環(huán)管道的A、B兩端分別與U型地埋管(15)的兩端用特制接頭(14) 相連接，至此即形成一個(gè)完整的回路，接通電源后，打開(kāi)排氣閥(7)、補(bǔ)水閥(9)、將三通閥 (8)開(kāi)向排氣狀態(tài)，開(kāi)啟循環(huán)水泵(2)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值，通過(guò)補(bǔ)水端C將 循環(huán)回路中充滿(mǎn)水，排出循環(huán)回路中的氣體，關(guān)閉排氣閥(7)、補(bǔ)水閥(9)，將三通閥(8)開(kāi) 向循環(huán)狀態(tài)，測(cè)試準(zhǔn)備完畢，開(kāi)始測(cè)試工作；B、模式選擇選擇地層熱物性測(cè)試模式或地埋管換熱量測(cè)試模式；兩種測(cè)試模式的測(cè)試原理分別如下選擇控制地埋管入口 A端水溫的模式，進(jìn)行換熱量計(jì)算時(shí)按下列公式qU QfIQCpQ ^ULU At/I(1)式中，為地埋管換熱器每米孔深換熱量，Q為地埋管總換熱量，/為地下?lián)Q熱器的埋管深度，G為循環(huán)液的比熱，一為循環(huán)液的密度，“循環(huán)液循環(huán)流量，At為埋管進(jìn)出口溫差；選擇控制加熱功率模式，進(jìn)行參數(shù)估算時(shí)按下列公式
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，該測(cè)試儀包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器、循環(huán)水泵、電加熱器、膨脹罐、排氣閥、三通閥、補(bǔ)水閥通過(guò)接頭連接U型地埋管所構(gòu)成的回路；測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、功率傳感器所構(gòu)成，并分別與監(jiān)控系統(tǒng)相連，該測(cè)試儀結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，一臺(tái)機(jī)器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)地層熱物性測(cè)試和換熱量測(cè)試的兩種測(cè)試模式，一機(jī)兩用，經(jīng)濟(jì)方便；兩個(gè)循環(huán)泵輪流使用，延長(zhǎng)了循環(huán)泵的使用壽命，測(cè)試調(diào)節(jié)較方便，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102033079SQ20101054265
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者李曉昭, 車(chē)平, 馬娟 申請(qǐng)人:南京大學(xué), 江蘇南華地下空間研究所有限公司