CN101393149A - 地源热泵用高精度土壤热物性测试仪 - Google Patents

Abstract

地源热泵用高精度土壤热物性测试仪，属于节能与空调技术领域，本发明由过滤器、电加热器、补水箱、单向阀、三通、循环水泵、第二球阀、电磁流量计组成一个测试管路。数据计算模块依据循环水平均温度、土壤初始温度、埋地管换热器单位管长换热量、循环水流量、埋管深度五种参数，采用无限长线热源模型和有限长线热源修正模型编程来计算土壤热物性参数。本发明测试仪不仅可以应用于工程实际测量，又可以用于研究地源热泵长时间运行时的地下土壤热物性参数。测试计算结果与实际情况更加吻合；测试仪的结构紧凑，测试精度高，测试功率范围广，可视化程度高，操作方便，使用安全。

Description

地源热泵用高精度土壤热物性测试仪

技术领域

本发明涉及一种土壤热物性测试仪，特别是一种地源热泵用高精度土壤热物性测试仪，属于节能与空调技术领域。

背景技术

地源热泵系统是以大地为冷源或热源，通过中间介质作为热载体，并使中间介质在埋于土壤中的封闭环路中循环流动，实现中间介质与土壤的热量交换，进而通过热泵实现对建筑物的空调或供暖。与空气源热泵相比，土壤源热泵具有机组性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、系统简单、运行费用低等优点，被称为21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色空调技术。地源热泵系统在欧美等许多国家的研究和应用已经有数十年的历史了，近年来在中国也受到了广泛的关注并得到了实际应用。土壤源热泵系统中埋地管换热器的性能对整体性能有决定性的影响，而土壤热物性是埋地管换热器性能设计中的关键参数，因此如何建立一种既准确又适合于工程实际应用的快速测量地下岩土热物性参数以及换热器有效换热系数的方法，成为目前地源热泵推广和应用中的关键技术和核心问题。

在现有的基于地源热泵的土壤热物性测试仪技术中，申请号为200610042581.0，名称为基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法的发明专利，该测试仪结构设计紧凑，简便易携，使用一个额定功率为3KW的加热器作为热源，一台循环水泵作为动力推动传热介质在U型管中循环流动，并使用数据采集仪采集温度流量等信号，但该发明存在加热功率低，对传热量大的深井测量精度低；保温也存在问题，误差较大。目前计算土壤热物性参数的模型一般采用简化的一维无限长线热源和无限长柱热源模型，这两种模型在计算时做了大量假设：地下土壤的初始温度均匀，且被近似为无限大传热介质；地下土壤的热物性是均匀的，且不随土壤温度的变化而变化，即具有常物性；不考虑地表传热，且忽略地下水的流动；忽略沿埋地管换热器U型管轴向的传热，只考虑径向的一维导热；忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上无限大的线热源；管内热流恒定；忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移，认为埋管与土壤之间只通过纯导热传热。这些假定与实际有较大的差别，导致计算结果精度不高。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种测量精度高、测试功率范围广、操作简单，工程和科研分析两用的地源热泵用土壤热物性测试仪，并根据大量的实验，建立依据循环水平均温度、土壤初始温度、地下埋管换热量、循环水量、埋管深度五种参数来计算土壤热物性参数的有限长线热源修正模型，此模型相比无限长线热源模型和无限长柱热源模型增加考虑了埋地管换热器U型管的轴向传热、地下不同深度土壤结构对传热的影响、埋地管换热器U型管两支管间热流短路的影响。

本发明是通过以下技术方案实现：本发明包括过滤器、电加热器、压差开关、补水箱、单向阀、三通、循环水泵、球阀、电磁流量计、温度传感器、功率传感器、液晶触摸屏、数据计算模块、电源、可编程控制器。其中过滤器安装在测试仪管路的进口端，压差开关安装在测试仪管路进出口端之间；单向阀安装在循环水泵的进口端，第二球阀安装在循环水泵的出口端。进口温度传感器装在过滤器与电加热器之间，出口温度传感器接在测试仪管路的出口端；功率传感器的输入端并联在电加热器的电源线端；水位控制器的浮球端装在补水箱的一侧底部；第一压力表和第二压力表分别安装在循环水泵的进出口管段上；电磁流量计的输出端、压差开关的输出端、进、出口温度传感器和埋地温度传感器的输出端、功率传感器的输出端和水位控制器的输出端均与可编程控制器的输入端相连，可编程控制器的输出端分别与液晶触摸屏的输入端、数据计算模块的输入端、测试仪电源的控制电路连接，数据计算模块的输出端与液晶触摸屏的输入端相连。采用无限长线热源模型和有限长线热源修正模型编写的计算程序存储在数据计算模块中，并在液晶触摸屏上显示选项，根据不同的需要选择不同的计算模型进行计算。埋地管换热器采用U型管。

在启动测试仪之前，将埋地管换热器的两端分别与测试仪管路的进出口端连接，组成一个闭合回路；并将埋地温度传感器的输出端与可编程控制器的输入端相连；将自来水管接在第一球阀的一端给闭合回路注水，当闭合回路水满时，补水箱的溢水管有水流出。开启循环水泵，在循环水泵的作用下，循环水经由过滤器，进入电加热器，在电加热器的恒定功率作用下被加热，之后进入循环水泵，流经电磁流量计，然后回到地下。在水的流经途中，进、出口温度传感器采集的进出口水温、电磁流量计采集的循环水流量信号、功率传感器测得的电加热器功率信号、埋地温度传感器测得的土壤初始温度均传送给可编程控制器，可编程控制器每间隔一段时间记录一组数据并将测得的数据传送给数据计算模块。数据计算模块根据选择的不同计算模型计算出土壤热物性参数。压差开关起到平衡测试仪进出口压力的作用。当闭合回路发生阻塞时，进出口压差明显增加，此时压差开关传输断路信号给可编程控制器，电路系统断开，可防止循环水泵空转而毁坏；水位控制器用来检测闭合回路中的漏水情况，当补水箱内无水时，水位控制器的浮球开关动作，将断路信号传送给可编程控制器，电源电路中接收了可编程控制器断路信号的接触器断开，循环水泵停止工作，以免循环水泵空转烧毁。计算模块的计算数据直接显示在液晶触摸屏上。

在工程测试中采用的无限长线热源模型公式为：

$T_f=T_0+\frac{q_l}{4\mathrm{\π\λ}}I\left(\frac{r^2}{4\mathrm{at}}\right)+R_b\·q_l$

式中： $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量，H为埋地管换热器的深度，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量；T_f为埋地管换热器内循环水的平均温度； $I\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}\frac{e^{-u}}{u}\mathrm{du},$ 称为指数积分函数，x为积分变量， $x=\frac{r^2}{4\mathrm{at}};$ T₀为埋地管换热器周围土壤的初始温度；r为任一点径向坐标；t为运行时间；λ、a分别为土壤的导热系数和热扩散系数；R_b为钻孔内每米深度的总热阻。

在研究地源热泵长时间运行时的地下土壤热物性参数时，采用有限长线热源修正模型。此模型考虑了埋管换热器的轴向传热、地下不同深度土壤结构对传热的影响、埋地换热器U型管两支管热流短路对计算结果的影响，在原有有限长线热源模型的基础上引入热流短路修正因子，进一步提高了地源热泵长时间运行情况下土壤热物性参数计算结果的精度，下式为有限长线热源修正模型的计算公式：

$\mathrm{\θ}=\frac{q_l}{4\mathrm{\λ\π}}\underset{0}{\overset{H}{\∫}}\{\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}\}\mathrm{dh}+R_b\·q_l+\mathrm{\Δ}{T}_p$

式中： $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量，H为埋地管换热器的深度，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量；λ为土壤的导热系数；R为埋地管换热器U型管的半径；y为测点的纵坐标；h为自变量；erfc(z)函数为误差函数， $\mathrm{erfc}\left(z\right)=1-\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\exp \left({-u}^2\right)\mathrm{du};$ a为土壤的热扩散系数；τ为测试的时间长度；θ为循环水平均温度T_f与土壤初始温度T₀的差值；R_b为钻孔内每米深度的总热阻；引入热流短路修正因子 ${\mathrm{\ΔT}}_p=T_f-T_w=\frac{a(R_c+R_p)}{2\mathrm{\πRL}\·D\·N},$ 其中T_w为埋地管换热器钻孔的壁温；R_c为水与埋地管换热器管壁之间的对流换热热阻；R_p为埋地管换热器管内传热热阻；L为埋地管换热器深度；N为U型管数；D为热流短路修正系数，N＝1时，D＝0.85；N＝2时，D＝0.6～0.7。

测试仪采用功率范围为0-12kw的可调档电加热器，测试仪管路全部采用低传热率的保温材料。

本发明的有益效果为：本发明测试仪不仅可以应用于工程实际测量，又可以用于研究地源热泵长时间运行时的地下土壤热物性参数。测试仪的计算模块引入有限长线热源修正模型编程计算土壤热物性参数，计算结果与实际情况更加吻合；测试仪的结构紧凑，测试功率范围广，可视化程度高，操作方便，使用安全，测试精度高。

附图说明

图1为本发明测试仪的结构示意图

图2为土壤热物性测试仪计算程序框图

图中 1过滤器，2压差开关，3进口温度传感器，4电加热器，5功率传感器，6水位控制器，7补水箱，8第一压力表，9循环水泵，10第二压力表，11电磁流量计，12出口温度传感器，13单向阀，14三通，15第一球阀，16第二球阀，17可编程控制器，18液晶触摸屏，19埋地温度传感器，20电源，21数据计算模块，22埋地管换热器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的描述：

如图1所示，本发明包括过滤器1，压差开关2，进口温度传感器3，电加热器4，功率传感器5，水位控制器6，补水箱7，第一压力表8，循环水泵9，第二压力表10，电磁流量计11，出口温度传感器12，单向阀13，三通14，第一球阀15，第二球阀16，可编程控制器17，液晶触摸屏18，埋地温度传感器19，电源20，数据计算模块21.整个测试仪管路由过滤器1、电加热器4、补水箱7、单向阀13、三通14、循环水泵9、第二球阀16、电磁流量计11连接而成，其中过滤器1安装在测试仪管路的进口端，压差开关2安装在测试仪管路进出口端之间；单向阀13安装在循环水泵9的进口端，第二球阀16安装在循环水泵9的出口端。进口温度传感器3装在过滤器1与电加热器4之间，出口温度传感器12接在测试仪管路的出口端；功率传感器5的输入端并联在电加热器4的电源线端；水位控制器6的浮球端装在补水箱7的一侧底部；第一压力表8和第二压力表10分别安装在循环水泵9的进出口管段上；电磁流量计11的输出端、功率传感器5的输出端、压差开关2的输出端、进口温度传感器3和出口温度传感器12的输出端、埋地温度传感器19的输出端、水位控制器6的输出端均与可编程控制器17的输入端相连，可编程控制器17的输出端分别与液晶触摸屏18的输入端、数据计算模块21的输入端、电源20的控制电路连接，数据计算模块21的输出端与液晶触摸屏18的输入端相连。采用无限长线热源模型和有限长线热源修正模型编写的计算程序存储在数据计算模块21中，并在液晶触摸屏18上显示选项，根据不同的需要选择不同的计算模型进行计算。

在启动测试仪之前，将埋地管换热器22的两端分别与测试仪管路的进出口端连接，组成一个闭合回路；将埋地温度传感器19的输出端与可编程控制器17的输入端连接；将自来水管接在第一球阀15的一端，打开第一球阀15给闭合回路注水，当闭合回路水满时，补水箱7的溢水管有水流出，关闭第一球阀15，同时开启循环水泵9，在循环水泵9的作用下，循环水经由过滤器1，进入电加热器4，在电加热器4的恒定功率作用下被加热，之后进入循环水泵9，流经电磁流量计11，然后回到地下。在水的流经途中，进口温度传感器3、出口温度传感器12采集的进出口水温、电磁流量计11采集的循环水流量信号、功率传感器5测得的电加热器功率信号、埋地温度传感器19测得的土壤初始温度均传送给可编程控制器17，可编程控制器17每间隔一段时间记录一组数据并将测得的数据传送给数据计算模块21。数据计算模块21根据选择的不同计算模型计算出土壤热物性参数。压差开关2起到平衡测试仪进出口压力的作用。当闭合回路发生阻塞时，进出口压差明显增加，此时压差开关2传输断路信号给可编程控制器17，电路系统断开，可防止循环水泵9空转而毁坏；水位控制器6用来检测闭合回路中的漏水情况，当补水箱7内无水时，水位控制器6的浮球开关动作，将断路信号传送给可编程控制器17，电源20的电路中接收了可编程控制器17断路信号的接触器断开，循环水泵9停止工作，以免循环水泵9空转烧毁。计算模块21的计算数据直接显示在液晶触摸屏18上。

在工程测试中采用的无限长线热源模型公式为：

$T_f=T_0+\frac{q_l}{4\mathrm{\π\λ}}I\left(\frac{r^2}{4\mathrm{at}}\right)+R_b\·q_l$

式中：T_f为埋地管换热器内循环水的平均温度； $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量(W)，H为埋地管换热器的深度(m)，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量(W/m)； $I\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}\frac{e^{-u}}{u}\mathrm{du},$ 称为指数积分函数，x为积分变量， $x=\frac{r^2}{4\mathrm{at}};$ T₀为埋地管换热器周围土壤的初始温度；r为任一点径向坐标；t为运行时间；λ、a分别为土壤的导热系数和热扩散系数；R_b为钻孔内每米深度的总热阻。

在研究地源热泵长时间运行时的地下土壤热物性参数时，采用有限长线热源修正模型。此模型考虑了埋管换热器的轴向传热、地下不同深度土壤结构对传热的影响、埋地换热器U型管两支管热流短路对计算结果的影响，在原有有限长线热源模型的基础上引入热流短路修正因子ΔT_p，进一步提高了地源热泵长时间运行情况下土壤热物性参数计算结果的精度，下式为有限长线热源修正模型的计算公式：

$\mathrm{\θ}=\frac{q_l}{4\mathrm{\λ\π}}\underset{0}{\overset{H}{\∫}}\{\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}\}\mathrm{dh}+R_b\·q_l+\mathrm{\Δ}{T}_p$

式中： $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量(W)，H为埋地管换热器的深度(m)，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量(W/m)；λ为土壤的导热系数(W/m·k)；R为埋地管换热器U型管的半径(m)；y为测点的纵坐标(m)；h为自变量(m)；erfc(z)函数为误差函数， $\mathrm{erfc}\left(z\right)=1-\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\exp \left({-u}^2\right)\mathrm{du};$ a为土壤的热扩散系数(m²/s)；τ为测试的时间长度(s)；θ为循环水平均温度T_f与土壤初始温度T₀的差值；R_b为钻孔内每米深度的总热阻；引入热流短路修正因子 ${\mathrm{\ΔT}}_p=T_f-T_w=\frac{a(R_c+R_p)}{2\mathrm{\πRL}\·D\·N},$ 其中T_w为埋地管换热器钻孔的壁温；R_c为水与埋地管换热器管壁之间的对流换热热阻；R_p为埋地管换热器管内传热热阻；L为埋地管换热器深度；N为U型管数；D为热流短路修正系数，N＝1时，D＝0.85；N＝2时，D＝0.6～0.7。

电加热器的功率范围为0-12kw可调，测试仪管路全部采用低传热率的保温材料。

Claims (3)

1.一种地源热泵用高精度土壤热物性测试仪，包括过滤器(1)、压差开关(2)、进口温度传感器(3)、电加热器(4)、功率传感器(5)、水位控制器(6)、补水箱(7)、第一压力表(8)、循环水泵(9)、第二压力表(10)、电磁流量计(11)、出口温度传感器(12)、单向阀(13)、三通(14)、第一球阀(15)、第二球阀(16)、埋地温度传感器(19)、电源(20)、数据计算模块(21)，其特征在于还包括可编程控制器(17)、液晶触摸屏(18)，其中过滤器(1)安装在测试仪管路的进口端；压差开关(2)安装在测试仪管路进出口端之间；单向阀(13)安装在循环水泵(9)的进口端；第二球阀(16)安装在循环水泵(9)的出口端；进口温度传感器(3)装在过滤器(1)与电加热器(4)之间；出口温度传感器(12)接在测试仪管路的出口端；功率传感器(5)的输入端并联在电加热器(4)的电源线端；水位控制器(6)的浮球端装在补水箱(7)的一侧底部；第一压力表(8)和第二压力表(10)分别安装在循环水泵(9)的进出口管段上；电磁流量计(11)的输出端、功率传感器(5)的输出端、压差开关(2)的输出端、进口温度传感器(3)和出口温度传感器(12)的输出端、水位控制器(6)的输出端、埋地温度传感器(19)的输出端均与可编程控制器(17)的输入端相连，可编程控制器(17)的输出端分别与液晶触摸屏(18)的输入端、数据计算模块(21)的输入端、电源(20)的控制电路连接，数据计算模块(21)的输出端与液晶触摸屏(18)的输入端相连；无限长线热源模型和有限长线热源修正模型编写的程序存储在数据计算模块(21)中。

2.根据权利要求1所述的地源热泵用高精度土壤热物性测试仪，其特征是所述的无限长线热源模型公式为：

$T_f=T_0+\frac{q_l}{4\mathrm{\π\λ}}I\left(\frac{r^2}{4\mathrm{at}}\right)+R_b\·q_l$

式中： $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量，H为埋地管换热器的埋管深度，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量；T_f为埋地管换热器内循环水的平均温度； $I\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}\frac{e^{-u}}{u}\mathrm{du},$ 称为指数积分函数，x为积分变量， $x=\frac{r^2}{4\mathrm{at}};$ T₀为周围土壤的初始温度；r为任一点径向坐标；t为运行时间；λ、a分别为土壤的导热系数和热扩散系数；R_b为钻孔内每米深度的总热阻。

3.根据权利要求1所述的地源热泵用高精度土壤热物性测试仪，其特征是所述的有限长线热源修正模型公式为：

$\mathrm{\θ}=\frac{q_l}{4\mathrm{\λ\π}}\underset{0}{\overset{H}{\∫}}\{\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left(\frac{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)}{\sqrt{R^2+{(y+h)}^2}}\}\mathrm{dh}+R_b\·q_l+\mathrm{\Δ}{T}_p$

式中： $q_l=\frac{\mathrm{\φ}}{H},$ φ为埋地管换热器的总换热量(W)，H为埋地管换热器的深度(m)，q_l为单位长度埋地管换热器的换热量(W/m)；λ为土壤的导热系数(W/m·k)；R为埋地管换热器U型管的半径(m)；y为测点的纵坐标(m)；h为自变量(m)；erfc(z)函数为误差函数， $\mathrm{erfc}\left(z\right)=1-\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\exp (-u^2)\mathrm{du};$ a为土壤的热扩散系数(m²/s)；τ为测试的时间长度(s)；θ为循环水平均温度T_f与土壤初始温度T₀的差值；R_b为钻孔内每米深度的总热阻；引入热流短路修正因子 $\mathrm{\Δ}{T}_p=T_f-T_w=\frac{a(R_c+R_p)}{2\mathrm{\πRL}\·D\·N},$ 其中T_w为埋地管换热器钻孔的壁温；R_c为水与埋地管换热器管壁之间的对流换热热阻；R_p为埋地管换热器管内传热热阻；L为埋地管换热器深度；N为U型管数；D为热流短路修正系数，N＝1时，D＝0.85；N＝2时，D＝0.6～0.7。

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