CN101105467B - 土壤平均导热系数测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤平均导热系数测定装置及其方法，装置包括一台小型热泵机组(1)、一只保温水箱(2)、2台循环泵(3)、2个流量传感器(4)、4个温度传感器(5)、及一个数据采集系统(6)。本发明结构紧凑、现场测定稳定、测试数据准确、可测试向土壤排热或取热两种模式下的土壤导热系数。

Description

土壤平均导热系数测定装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于现场直接测定土壤平均导热系数的装置，并进一步包括一种基于该装置的测试方法。

背景技术

地源热泵空调系统应用中的关键技术之一是如何根据建筑物的冷、热负荷设计埋地换热器，而要准确设计埋地换热器就需要知道建筑物当地地下土壤的实际的导热系数。如果土壤平均导热系数不准确，则设计的系统可能不能满足负荷要求，也可能规模过大，增加初投资。

确定地下土壤平均导热系数的传统方法有两种：一种方法是根据钻孔时取出的土壤样本确定埋管周围的地质构成，然后根据相关手册查取土壤的导热系数。然而地下地质结构构成复杂，难以得到整个埋孔深度方向地质结构的准确的详细资料，即使同一种土壤成分，其导热系数取值范围也较大，如石英沙导热系数为3.1～7.8W/m℃；另一种方法是通过探针法在实验室或现场测试土壤的导热系数，但用探针对取出的土壤在实验室进行测试，由于水分散失、挤压等原因，其土壤结构已与在地下时发生了较大变化，使测试结果与实际参数有误差，用探针在现场测试由于探针长度的限制，目前国内只能测试浅层(小于1米)土壤的导热系数。实际工程中，由于埋管的埋深很深(40-100米)，而且埋管的布置方式、回填材料的种类等等都对埋地换热器的传热性能有影响。因此，只有在现场直接测试才能准确得到土壤的导热系数。而目前国内还缺乏现成的测定装置和测试方法。

所以，本发明针对上述问题提出一种结构紧凑、可方便准确地用于现场直接测定土壤平均导热系数的装置及其测试方法，本测试装置可以测试地源热泵空调系统向土壤排热或取热两种模式下的土壤平均导热系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种土壤平均导热系数测定装置及其方法并且可以测试地源热泵空调系统向土壤排热或取热两种模式下的土壤平均导热系数。

技术方案

本发明提供了一种土壤平均导热系数测定装置，其特征在于：包括一台小型热泵机组、一只保温水箱、2台循环泵、2个流量传感器、4个温度传感器、及一个数据采集系统，保温水箱的一端的循环管道和小型热泵机组相连，另一端的循环管道A端、B端与现场埋地换热管连接，4条管道上都装有1个温度传感器，两端的4条循环管道中各有一条分别安装1台循环泵和1个流量传感器，所述的6个传感器和数据采集系统相连。

一台小型热泵机组，其目的是提供测试装置的冷、热源，以测试向土壤排热或取热两种模式下的土壤平均导热系数，冷源用于测试向土壤取热(即模拟地源热泵空调系统冬季运行工况)时的导热系数，热源用于测试向土壤排热(即模拟地源热泵空调系统夏季运行工况)时的导热系数；保温水箱，用于储存热泵机组提供的冷(热)源，并向地下埋管系统提供一定量、一定温度的循环流体，并在初始时用于向地下埋管内充注循环流体，及起排气作用；2台循环泵，用于向系统提供一定压头、一定流量的循环流体，系统内循环流体的流量可以通过变频或旁通管路任意调节，以测试不同流速条件下土壤的传热性能；2个流量传感器，用于测定系统的循环流量；4个温度传感器，用于测定环路内循环流体的温度，数据采集系统，用于采集、储存、分析测试数据。

本发明的另一方面，提供一种基于土壤平均导热系数测定装置的测试方法。这种方法包括：首先在已钻好的钻孔中埋设管道并按设计要求回填，环路中充满水，封住端口，静置一星期。然后，连接测定装置的A端、B端与现场埋管的进口、出口，循环流体由保温水箱进入且进一步补满管道，管道中的气体由保温水箱排出，再依次开启循环泵、热泵机组，使热泵机组制取的冷(热)流体，通过保温水箱、循环泵输入到埋地换热管内，埋地换热管内的流体与土壤进行热交换后，又返回到保温水箱，再通过另一台循环泵输送到热泵机组，形成封闭循环。自开始测试起，保持热泵机组的功率不变，直至埋地换热管进口、出口温度基本恒定。数据采集系统自动记录流体流量、进出口温度、及测试时间，然后，利用一维模型，计算得到土壤的平均导热系数。

土壤平均导热系数的计算式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_2-\ln {\mathrm{\τ}}_1}{T_{f2}-T_{f1}}=\frac{q}{4\mathrm{\πk}}$

式中：λ——土壤平均导热系数，W/m℃；

q——单位埋孔深度换热管的换热能力，W/m；

$q=\frac{{\mathrm{mc}}_p(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})}{L}$

K——以时间对数为横坐标时，管内流体平均温度T_f变化曲线的斜率；

$k=\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_2-\ln {\mathrm{\τ}}_1}{T_{f2}-T_{f1}}$

m——埋管内流体质量流量，kg/s；

L——埋孔深度，m；

c_p——土壤的定压比热，kJ/(kg·K)；

τ——测试时间，s；

T_in，T_out——埋管内流体进口温度、出口温度和平均温度(这几个字删除)，℃；

T_f——埋管内流体进出口平均温度，℃；

$T_f=\frac{(T_{\mathrm{in}}+T_{\mathrm{out}})}{2}$

T_f1，T_f2——τ₁、τ₂时刻对应的埋管内流体进出口平均温度，℃。

有益效果

本发明的优点为：测定装置结构紧凑、现场测定稳定、测试数据准确、可测试向土壤排热或取热两种模式下的土壤平均导热系数，有利于地源热泵空调系统的开发研究、有利于对全国不同地区、不同地质条件下合理地设计地下埋管系统，为地源热泵空调系统的推广应用、为充分发挥地源热泵空调系统的优越性起了很好的推动作用。因此，土壤平均导热系数测定装置的应用前景很好。

附图说明

图1本发明的测定装置结构示意图；

图2埋管进出口平均水温随时间变化图；

图3埋管进出口平均水温在时间对数坐标上的表示图。

1----小型热泵机组

2----保温水箱

3----循环水泵

4----流量传感器

5----温度传感器

6----数据采集系统

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，首先将测定装置的A端、B端与现场埋地换热管连接，保温水箱2充满循环流体，并充满地下埋管，排除管内气体，然后，依次开启两台循环泵3及热泵机组1，热泵机组1通过循环泵3连续不断地向保温水箱提供冷源或热源，保温水箱里的流体通过另一台循环泵3输送到埋地换热管，埋地换热管内的流体与土壤进行热交换后，又返回到保温水箱，两个环路的流体在保温水箱里混合，两个环路的流体流量可以通过变频泵或旁通管路独立控制，可以通过流量传感器4测试循环流体的流量，通过温度传感器5测试进口、出口的流体温度，数据采集系统6自动记录流体流量、进出口温度、及测试时间，然后，利用一维传热模型，计算得到土壤的平均导热系数。

土壤平均导热系数的计算式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_2-\ln {\mathrm{\τ}}_1}{T_{f2}-T_{f1}}=\frac{q}{4\mathrm{\πk}}$

钻孔内布置垂直U型管，管外径32mm，内径25mm，管内循环水流速为0.8m/s，开始测试时，前15h埋管进出口的温度变化较大，连续运行20小时后，温度的变化率逐渐变小，趋于稳定，48小时左右U型管进出口温差基本保持在3.92℃左右，根据热泵机组侧的流体流量和温差，可计算得到单位时间内向埋孔传递的热量为6.4kW，即每米埋孔深度的传热率为106W/m。图2表示埋管进出口平均水温随时间的变化，图3为埋管进出口平均水温在时间对数坐标上的表示，由图可知，埋管进出口平均水温拟合直线的斜率k＝3.62，把k与q代入土壤平均导热系数的计算式，得到土壤平均导热系数λ＝2.33W/(mK)。

Claims (2)

1.一种土壤平均导热系数测定装置，其特征在于：包括一台小型热泵机组(1)、一只保温水箱(2)、2台循环泵(3)、2个流量传感器(4)、4个温度传感器(5)、及一个数据采集系统(6)，保温水箱(2)的一端的两条循环管道和小型热泵机组(1)相连，另一端的两条循环管道A端、B端与现场埋地换热管连接，保温水箱(2)与小型热泵机组(1)相连的两条循环管道，其中一条管道上安装1个温度传感器(5)和1台循环泵(3)，另一条管道上安装1个温度传感器(5)和1个流量传感器(4)，保温水箱(2)与现场埋地换热管相连的两条循环管道，其中具有A端端口的管道上安装1个温度传感器(5)和1台循环泵(3)，具有B端端口的管道上安装1个温度传感器(5)和1个流量传感器(4)，所述的4个温度传感器(5)和2个流量传感器(4)与数据采集系统(6)相连。

2.一种土壤平均导热系数测定的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在已钻好的钻孔中埋设管道并按设计要求回填，环路中充满水，封住端口，静置一星期；

2)权利要求1所述的土壤平均导热系数测定装置中保温水箱(2)另一侧的两条循环管道的两个端口A端、B端分别与现场埋管的进口、出口连接，循环流体由保温水箱进入且进一步补满管道，管道中的气体由保温水箱排出；

3)依次开启循环泵、热泵机组，使热泵机组制取的冷流体或热流体，通过保温水箱、循环泵输入到埋地换热管内，埋地换热管内的流体与土壤进行热交换后，又返回到保温水箱，再通过另一台循环泵输送到热泵机组，形成封闭循环；

4)自开始测试起，保持热泵机组的功率不变，直至埋地换热管进口、出口温度基本恒定；

5)数据采集系统自动记录流体流量、进出口温度、及测试时间，然后，利用土壤平均导热系数的计算式，计算得到土壤的平均导热系数；所述的土壤平均导热系数的计算式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_2-\ln {\mathrm{\τ}}_1}{T_{f2}-T_{f1}}=\frac{q}{4\mathrm{\πk}}$

式中：λ——土壤平均导热系数，W/m℃；

q——单位埋孔深度换热管的换热能力，W/m；

$q=\frac{m{c}_p(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})}{L}$

k——以时间对数为横坐标时，管内流体平均温度T_f变化曲线的斜率；

$k=\frac{\ln {\mathrm{\τ}}_2-\ln {\mathrm{\τ}}_1}{T_{f2}-T_{f1}}$

m——埋管内流体质量流量，kg/s；

L——埋孔深度，m；

c_p——土壤的定压比热，kJ/(kg·K)；

τ——测试时间，s；

T_in，T_out——埋管内流体进口温度和出口温度，℃；

T_f——埋管内流体进出口平均温度，℃；

$T_f=\frac{(T_{\mathrm{in}}+T_{\mathrm{out}})}{2}$

T_f1，T_f2——τ₁、τ₂时刻对应的埋管内流体进出口平均温度，℃。

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