專利名稱：地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤熱物性測試儀，特別是一種地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀，屬于節(jié)能與空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
地源熱泵系統(tǒng)是以大地為冷源或熱源，通過中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在埋于土壤中的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，實現(xiàn)中間介質(zhì)與土壤的熱量交換，進(jìn)而通過熱泵實現(xiàn)對建筑物的空調(diào)或供暖。與空氣源熱泵相比，土壤源熱泵具有機(jī)組性能系數(shù)高、節(jié)能效果好、利用可再生能源、系統(tǒng)簡單、運行費用低等優(yōu)點，被稱為21世紀(jì)的一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的最具有發(fā)展前途的綠色空調(diào)技術(shù)。地源熱泵系統(tǒng)在歐美等許多國家的研究和應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，近年來在中國也受到了廣泛的關(guān)注并得到了實際應(yīng)用。土壤源熱泵系統(tǒng)中埋地管換熱器的性能對整體性能有決定性的影響，而土壤熱物性是埋地管換熱器性能設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，因此如何建立一種既準(zhǔn)確又適合于工程實際應(yīng)用的快速測量地下巖土熱物性參數(shù)以及換熱器有效換熱系數(shù)的方法，成為目前地源熱泵推廣和應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)和核心問題。
在現(xiàn)有的基于地源熱泵的土壤熱物性測試儀技術(shù)中，申請?zhí)枮?00610042581.0，名稱為基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法的發(fā)明專利，該測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，簡便易攜，使用一個額定功率為3KW的加熱器作為熱源，一臺循環(huán)水泵作為動力推動傳熱介質(zhì)在U型管中循環(huán)流動，并使用數(shù)據(jù)采集儀采集溫度流量等信號，但該發(fā)明存在加熱功率低，對傳熱量大的深井測量精度低；保溫也存在問題，誤差較大。目前計算土壤熱物性參數(shù)的模型一般采用簡化的一維無限長線熱源和無限長柱熱源模型，這兩種模型在計算時做了大量假設(shè)地下土壤的初始溫度均勻，且被近似為無限大傳熱介質(zhì)；地下土壤的熱物性是均勻的，且不隨土壤溫度的變化而變化，即具有常物性；不考慮地表傳熱，且忽略地下水的流動；忽略沿埋地管換熱器U型管軸向的傳熱，只考慮徑向的一維導(dǎo)熱；忽略鉆孔的幾何尺度而把鉆孔近似為軸心線上無限大的線熱源；管內(nèi)熱流恒定；忽略土壤中因水分遷移而引起的熱遷移，認(rèn)為埋管與土壤之間只通過純導(dǎo)熱傳熱。這些假定與實際有較大的差別，導(dǎo)致計算結(jié)果精度不高。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種測量精度高、測試功率范圍廣、操作簡單，工程和科研分析兩用的地源熱泵用土壤熱物性測試儀，并根據(jù)大量的實驗，建立依據(jù)循環(huán)水平均溫度、土壤初始溫度、地下埋管換熱量、循環(huán)水量、埋管深度五種參數(shù)來計算土壤熱物性參數(shù)的有限長線熱源修正模型，此模型相比無限長線熱源模型和無限長柱熱源模型增加考慮了埋地管換熱器U型管的軸向傳熱、地下不同深度土壤結(jié)構(gòu)對傳熱的影響、埋地管換熱器U型管兩支管間熱流短路的影響。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)本發(fā)明包括過濾器、電加熱器、壓差開關(guān)、補水箱、單向閥、三通、循環(huán)水泵、球閥、電磁流量計、溫度傳感器、功率傳感器、液晶觸摸屏、數(shù)據(jù)計算模塊、電源、可編程控制器。其中過濾器安裝在測試儀管路的進(jìn)口端，壓差開關(guān)安裝在測試儀管路進(jìn)出口端之間；單向閥安裝在循環(huán)水泵的進(jìn)口端，第二球閥安裝在循環(huán)水泵的出口端。進(jìn)口溫度傳感器裝在過濾器與電加熱器之間，出口溫度傳感器接在測試儀管路的出口端；功率傳感器的輸入端并聯(lián)在電加熱器的電源線端；水位控制器的浮球端裝在補水箱的一側(cè)底部；第一壓力表和第二壓力表分別安裝在循環(huán)水泵的進(jìn)出口管段上；電磁流量計的輸出端、壓差開關(guān)的輸出端、進(jìn)、出口溫度傳感器和埋地溫度傳感器的輸出端、功率傳感器的輸出端和水位控制器的輸出端均與可編程控制器的輸入端相連，可編程控制器的輸出端分別與液晶觸摸屏的輸入端、數(shù)據(jù)計算模塊的輸入端、測試儀電源的控制電路連接，數(shù)據(jù)計算模塊的輸出端與液晶觸摸屏的輸入端相連。采用無限長線熱源模型和有限長線熱源修正模型編寫的計算程序存儲在數(shù)據(jù)計算模塊中，并在液晶觸摸屏上顯示選項，根據(jù)不同的需要選擇不同的計算模型進(jìn)行計算。埋地管換熱器采用U型管。
在啟動測試儀之前，將埋地管換熱器的兩端分別與測試儀管路的進(jìn)出口端連接，組成一個閉合回路；并將埋地溫度傳感器的輸出端與可編程控制器的輸入端相連；將自來水管接在第一球閥的一端給閉合回路注水，當(dāng)閉合回路水滿時，補水箱的溢水管有水流出。開啟循環(huán)水泵，在循環(huán)水泵的作用下，循環(huán)水經(jīng)由過濾器，進(jìn)入電加熱器，在電加熱器的恒定功率作用下被加熱，之后進(jìn)入循環(huán)水泵，流經(jīng)電磁流量計，然后回到地下。在水的流經(jīng)途中，進(jìn)、出口溫度傳感器采集的進(jìn)出口水溫、電磁流量計采集的循環(huán)水流量信號、功率傳感器測得的電加熱器功率信號、埋地溫度傳感器測得的土壤初始溫度均傳送給可編程控制器，可編程控制器每間隔一段時間記錄一組數(shù)據(jù)并將測得的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)計算模塊。數(shù)據(jù)計算模塊根據(jù)選擇的不同計算模型計算出土壤熱物性參數(shù)。壓差開關(guān)起到平衡測試儀進(jìn)出口壓力的作用。當(dāng)閉合回路發(fā)生阻塞時，進(jìn)出口壓差明顯增加，此時壓差開關(guān)傳輸斷路信號給可編程控制器，電路系統(tǒng)斷開，可防止循環(huán)水泵空轉(zhuǎn)而毀壞；水位控制器用來檢測閉合回路中的漏水情況，當(dāng)補水箱內(nèi)無水時，水位控制器的浮球開關(guān)動作，將斷路信號傳送給可編程控制器，電源電路中接收了可編程控制器斷路信號的接觸器斷開，循環(huán)水泵停止工作，以免循環(huán)水泵空轉(zhuǎn)燒毀。計算模塊的計算數(shù)據(jù)直接顯示在液晶觸摸屏上。
在工程測試中采用的無限長線熱源模型公式為 式中φ為埋地管換熱器的總換熱量，H為埋地管換熱器的深度，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量；Tf為埋地管換熱器內(nèi)循環(huán)水的平均溫度；稱為指數(shù)積分函數(shù)，x為積分變量，T0為埋地管換熱器周圍土壤的初始溫度；r為任一點徑向坐標(biāo)；t為運行時間；λ、a分別為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻。
在研究地源熱泵長時間運行時的地下土壤熱物性參數(shù)時，采用有限長線熱源修正模型。此模型考慮了埋管換熱器的軸向傳熱、地下不同深度土壤結(jié)構(gòu)對傳熱的影響、埋地?fù)Q熱器U型管兩支管熱流短路對計算結(jié)果的影響，在原有有限長線熱源模型的基礎(chǔ)上引入熱流短路修正因子，進(jìn)一步提高了地源熱泵長時間運行情況下土壤熱物性參數(shù)計算結(jié)果的精度，下式為有限長線熱源修正模型的計算公式 式中φ為埋地管換熱器的總換熱量，H為埋地管換熱器的深度，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量；λ為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；R為埋地管換熱器U型管的半徑；y為測點的縱坐標(biāo)；h為自變量；erfc(z)函數(shù)為誤差函數(shù)，a為土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)；τ為測試的時間長度；θ為循環(huán)水平均溫度Tf與土壤初始溫度T0的差值；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻；引入熱流短路修正因子其中Tw為埋地管換熱器鉆孔的壁溫；Rc為水與埋地管換熱器管壁之間的對流換熱熱阻；Rp為埋地管換熱器管內(nèi)傳熱熱阻；L為埋地管換熱器深度；N為U型管數(shù)；D為熱流短路修正系數(shù)，N＝1時，D＝0.85；N＝2時，D＝0.6～0.7。
測試儀采用功率范圍為0-12kw的可調(diào)檔電加熱器，測試儀管路全部采用低傳熱率的保溫材料。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明測試儀不僅可以應(yīng)用于工程實際測量，又可以用于研究地源熱泵長時間運行時的地下土壤熱物性參數(shù)。測試儀的計算模塊引入有限長線熱源修正模型編程計算土壤熱物性參數(shù)，計算結(jié)果與實際情況更加吻合；測試儀的結(jié)構(gòu)緊湊，測試功率范圍廣，可視化程度高，操作方便，使用安全，測試精度高。



圖1為本發(fā)明測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為土壤熱物性測試儀計算程序框圖 圖中 1過濾器，2壓差開關(guān)，3進(jìn)口溫度傳感器，4電加熱器，5功率傳感器，6水位控制器，7補水箱，8第一壓力表，9循環(huán)水泵，10第二壓力表，11電磁流量計，12出口溫度傳感器，13單向閥，14三通，15第一球閥，16第二球閥，17可編程控制器，18液晶觸摸屏，19埋地溫度傳感器，20電源，21數(shù)據(jù)計算模塊，22埋地管換熱器
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施做進(jìn)一步的描述 如圖1所示，本發(fā)明包括過濾器1，壓差開關(guān)2，進(jìn)口溫度傳感器3，電加熱器4，功率傳感器5，水位控制器6，補水箱7，第一壓力表8，循環(huán)水泵9，第二壓力表10，電磁流量計11，出口溫度傳感器12，單向閥13，三通14，第一球閥15，第二球閥16，可編程控制器17，液晶觸摸屏18，埋地溫度傳感器19，電源20，數(shù)據(jù)計算模塊21.整個測試儀管路由過濾器1、電加熱器4、補水箱7、單向閥13、三通14、循環(huán)水泵9、第二球閥16、電磁流量計11連接而成，其中過濾器1安裝在測試儀管路的進(jìn)口端，壓差開關(guān)2安裝在測試儀管路進(jìn)出口端之間；單向閥13安裝在循環(huán)水泵9的進(jìn)口端，第二球閥16安裝在循環(huán)水泵9的出口端。進(jìn)口溫度傳感器3裝在過濾器1與電加熱器4之間，出口溫度傳感器12接在測試儀管路的出口端；功率傳感器5的輸入端并聯(lián)在電加熱器4的電源線端；水位控制器6的浮球端裝在補水箱7的一側(cè)底部；第一壓力表8和第二壓力表10分別安裝在循環(huán)水泵9的進(jìn)出口管段上；電磁流量計11的輸出端、功率傳感器5的輸出端、壓差開關(guān)2的輸出端、進(jìn)口溫度傳感器3和出口溫度傳感器12的輸出端、埋地溫度傳感器19的輸出端、水位控制器6的輸出端均與可編程控制器17的輸入端相連，可編程控制器17的輸出端分別與液晶觸摸屏18的輸入端、數(shù)據(jù)計算模塊21的輸入端、電源20的控制電路連接，數(shù)據(jù)計算模塊21的輸出端與液晶觸摸屏18的輸入端相連。采用無限長線熱源模型和有限長線熱源修正模型編寫的計算程序存儲在數(shù)據(jù)計算模塊21中，并在液晶觸摸屏18上顯示選項，根據(jù)不同的需要選擇不同的計算模型進(jìn)行計算。
在啟動測試儀之前，將埋地管換熱器22的兩端分別與測試儀管路的進(jìn)出口端連接，組成一個閉合回路；將埋地溫度傳感器19的輸出端與可編程控制器17的輸入端連接；將自來水管接在第一球閥15的一端，打開第一球閥15給閉合回路注水，當(dāng)閉合回路水滿時，補水箱7的溢水管有水流出，關(guān)閉第一球閥15，同時開啟循環(huán)水泵9，在循環(huán)水泵9的作用下，循環(huán)水經(jīng)由過濾器1，進(jìn)入電加熱器4，在電加熱器4的恒定功率作用下被加熱，之后進(jìn)入循環(huán)水泵9，流經(jīng)電磁流量計11，然后回到地下。在水的流經(jīng)途中，進(jìn)口溫度傳感器3、出口溫度傳感器12采集的進(jìn)出口水溫、電磁流量計11采集的循環(huán)水流量信號、功率傳感器5測得的電加熱器功率信號、埋地溫度傳感器19測得的土壤初始溫度均傳送給可編程控制器17，可編程控制器17每間隔一段時間記錄一組數(shù)據(jù)并將測得的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)計算模塊21。數(shù)據(jù)計算模塊21根據(jù)選擇的不同計算模型計算出土壤熱物性參數(shù)。壓差開關(guān)2起到平衡測試儀進(jìn)出口壓力的作用。當(dāng)閉合回路發(fā)生阻塞時，進(jìn)出口壓差明顯增加，此時壓差開關(guān)2傳輸斷路信號給可編程控制器17，電路系統(tǒng)斷開，可防止循環(huán)水泵9空轉(zhuǎn)而毀壞；水位控制器6用來檢測閉合回路中的漏水情況，當(dāng)補水箱7內(nèi)無水時，水位控制器6的浮球開關(guān)動作，將斷路信號傳送給可編程控制器17，電源20的電路中接收了可編程控制器17斷路信號的接觸器斷開，循環(huán)水泵9停止工作，以免循環(huán)水泵9空轉(zhuǎn)燒毀。計算模塊21的計算數(shù)據(jù)直接顯示在液晶觸摸屏18上。
在工程測試中采用的無限長線熱源模型公式為 式中Tf為埋地管換熱器內(nèi)循環(huán)水的平均溫度；φ為埋地管換熱器的總換熱量(W)，H為埋地管換熱器的深度(m)，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量(W/m)；稱為指數(shù)積分函數(shù)，x為積分變量，T0為埋地管換熱器周圍土壤的初始溫度；r為任一點徑向坐標(biāo)；t為運行時間；λ、a分別為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻。
在研究地源熱泵長時間運行時的地下土壤熱物性參數(shù)時，采用有限長線熱源修正模型。此模型考慮了埋管換熱器的軸向傳熱、地下不同深度土壤結(jié)構(gòu)對傳熱的影響、埋地?fù)Q熱器U型管兩支管熱流短路對計算結(jié)果的影響，在原有有限長線熱源模型的基礎(chǔ)上引入熱流短路修正因子ΔTp，進(jìn)一步提高了地源熱泵長時間運行情況下土壤熱物性參數(shù)計算結(jié)果的精度，下式為有限長線熱源修正模型的計算公式 式中φ為埋地管換熱器的總換熱量(W)，H為埋地管換熱器的深度(m)，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量(W/m)；λ為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·k)；R為埋地管換熱器U型管的半徑(m)；y為測點的縱坐標(biāo)(m)；h為自變量(m)；erfc(z)函數(shù)為誤差函數(shù)，a為土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；τ為測試的時間長度(s)；θ為循環(huán)水平均溫度Tf與土壤初始溫度T0的差值；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻；引入熱流短路修正因子其中Tw為埋地管換熱器鉆孔的壁溫；Rc為水與埋地管換熱器管壁之間的對流換熱熱阻；Rp為埋地管換熱器管內(nèi)傳熱熱阻；L為埋地管換熱器深度；N為U型管數(shù)；D為熱流短路修正系數(shù)，N＝1時，D＝0.85；N＝2時，D＝0.6～0.7。
電加熱器的功率范圍為0-12kw可調(diào)，測試儀管路全部采用低傳熱率的保溫材料。
權(quán)利要求
1.一種地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀，包括過濾器(1)、壓差開關(guān)(2)、進(jìn)口溫度傳感器(3)、電加熱器(4)、功率傳感器(5)、水位控制器(6)、補水箱(7)、第一壓力表(8)、循環(huán)水泵(9)、第二壓力表(10)、電磁流量計(11)、出口溫度傳感器(12)、單向閥(13)、三通(14)、第一球閥(15)、第二球閥(16)、埋地溫度傳感器(19)、電源(20)、數(shù)據(jù)計算模塊(21)，其特征在于還包括可編程控制器(17)、液晶觸摸屏(18)，其中過濾器(1)安裝在測試儀管路的進(jìn)口端；壓差開關(guān)(2)安裝在測試儀管路進(jìn)出口端之間；單向閥(13)安裝在循環(huán)水泵(9)的進(jìn)口端；第二球閥(16)安裝在循環(huán)水泵(9)的出口端；進(jìn)口溫度傳感器(3)裝在過濾器(1)與電加熱器(4)之間；出口溫度傳感器(12)接在測試儀管路的出口端；功率傳感器(5)的輸入端并聯(lián)在電加熱器(4)的電源線端；水位控制器(6)的浮球端裝在補水箱(7)的一側(cè)底部；第一壓力表(8)和第二壓力表(10)分別安裝在循環(huán)水泵(9)的進(jìn)出口管段上；電磁流量計(11)的輸出端、功率傳感器(5)的輸出端、壓差開關(guān)(2)的輸出端、進(jìn)口溫度傳感器(3)和出口溫度傳感器(12)的輸出端、水位控制器(6)的輸出端、埋地溫度傳感器(19)的輸出端均與可編程控制器(17)的輸入端相連，可編程控制器(17)的輸出端分別與液晶觸摸屏(18)的輸入端、數(shù)據(jù)計算模塊(21)的輸入端、電源(20)的控制電路連接，數(shù)據(jù)計算模塊(21)的輸出端與液晶觸摸屏(18)的輸入端相連；無限長線熱源模型和有限長線熱源修正模型編寫的程序存儲在數(shù)據(jù)計算模塊(21)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀，其特征是所述的無限長線熱源模型公式為
式中φ為埋地管換熱器的總換熱量，H為埋地管換熱器的埋管深度，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量；Tf為埋地管換熱器內(nèi)循環(huán)水的平均溫度；稱為指數(shù)積分函數(shù)，x為積分變量，T0為周圍土壤的初始溫度；r為任一點徑向坐標(biāo)；t為運行時間；λ、a分別為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀，其特征是所述的有限長線熱源修正模型公式為
式中φ為埋地管換熱器的總換熱量(W)，H為埋地管換熱器的深度(m)，ql為單位長度埋地管換熱器的換熱量(W/m)；λ為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·k)；R為埋地管換熱器U型管的半徑(m)；y為測點的縱坐標(biāo)(m)；h為自變量(m)；erfc(z)函數(shù)為誤差函數(shù)，a為土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；τ為測試的時間長度(s)；θ為循環(huán)水平均溫度Tf與土壤初始溫度T0的差值；Rb為鉆孔內(nèi)每米深度的總熱阻；引入熱流短路修正因子其中Tw為埋地管換熱器鉆孔的壁溫；Rc為水與埋地管換熱器管壁之間的對流換熱熱阻；Rp為埋地管換熱器管內(nèi)傳熱熱阻；L為埋地管換熱器深度；N為U型管數(shù)；D為熱流短路修正系數(shù)，N＝1時，D＝0.85；N＝2時，D＝0.6～0.7。
全文摘要
地源熱泵用高精度土壤熱物性測試儀，屬于節(jié)能與空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明由過濾器、電加熱器、補水箱、單向閥、三通、循環(huán)水泵、第二球閥、電磁流量計組成一個測試管路。數(shù)據(jù)計算模塊依據(jù)循環(huán)水平均溫度、土壤初始溫度、埋地管換熱器單位管長換熱量、循環(huán)水流量、埋管深度五種參數(shù)，采用無限長線熱源模型和有限長線熱源修正模型編程來計算土壤熱物性參數(shù)。本發(fā)明測試儀不僅可以應(yīng)用于工程實際測量，又可以用于研究地源熱泵長時間運行時的地下土壤熱物性參數(shù)。測試計算結(jié)果與實際情況更加吻合；測試儀的結(jié)構(gòu)緊湊，測試精度高，測試功率范圍廣，可視化程度高，操作方便，使用安全。
文檔編號G01N25/18GK101393149SQ20081020162
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者連之偉, 新 于, 李世剛, 戚大海, 彭友輝 申請人:上海交通大學(xué)