CN101477071B - 浅层岩土体热物理性质原位测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于地源热物理领域，涉及一种浅层岩土体热物理性质原位测试仪。包括至少一个排气装置，一个循环水泵、水泵前后至少一个温度传感器，至少一个热泵，热泵后至少一个温度传感器，一个排气阀，压力变送器、一个温度传感器和一个电磁流量计，控制装置，测试仪还包括一个电动三通分流调节阀，调节阀后的支路I，一个冷凝器和一个温度传感器；本发明采用热泵作为冷、热源可以进行供冷或供热工况下的岩土体热物性测试；研究热泵系统的运行性能以及大地温度场的恢复状态等；测量设备精度较高，测试运行稳定可靠，测试数据准确；采用电动三通分流调节阀保证输入或提取的热量恒定，便于应用现有恒热流传热模型进行数据分析和计算。

Description

浅层岩土体热物理性质原位测试仪

技术领域

本发明属于地源热物理领域，涉及一种浅层岩土体热物理性质原位测试仪。

背景技术

地源热泵技术以其节约化石能源和环保等优势在欧美等国家早已广泛应用。但该技术在我国推广过程中面临一个主要的技术问题，即地层的热物性大都来自实验室测试，甚至相当一部分工程设计依靠经验和估算。由于地层热物性参数是影响地源热泵地下埋管长度的主要因素，尤其对于大型的垂直埋管热泵系统，需进行现场地层热物性原位测试，以得到较准的钻孔地层平均导热系数和钻孔的热阻。自1996年世界上出现第一台现场测试地层热物性设备以来，已有20多个国家拥有了相同或相近的设备。北京工业大学2007年硕士毕业论文《热反应实验及其应用的研究》中所介绍地热热物性测试仪采用电加热器作为热源，虽然能控制热流密度的大小，但是只能进行往地下土壤中输送热量的测试，而不能进行从地下土壤中提取热量的测试。2007年8月由中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会举办的地温能与热泵技术应用高层论坛中论文《地埋管地源热泵系统地下换热器热(冷)响应测试车研制》中所介绍的由北京华清集团研制的热响应测试设备采用了热泵做为热源或冷源，但是并有热流密度的自动控制功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能模拟地源热泵系统制冷运行工况又能模拟供暖运行工况的浅层岩土体热物理性质原位测试仪。本发明的技术解决方案是：测试仪包括至少一个排气装置，一个循环水泵、水泵前至少一个第1温度传感器和水泵后至少一个第2温度传感器，至少一个热泵，热泵后至少一个第3温度传感器，一个排气阀，压力变送器、一个第5温度传感器和一个电磁流量计，控制装置，测试仪还包括一个电动三通分流调节阀，一个冷凝器和一个第4温度传感器在所述调节阀后的支路I上；排气装置依次与置于水泵前的第1温度传感器、循环水泵、置于水泵后的第2温度传感器、热泵、置于热泵后的第3温度传感器、电动三通分流调节阀、压力变送器、置于三通分流后的第5温度传感器、电磁流量计相连；冷凝器依次与排气阀、电动三通分流调节阀相连；压力变送器与电动三通分流调节阀之间引出一个管路依次与第4温度传感器、冷凝器相连；水箱上一个管路通过阀门I连接到排气装置和置于水泵前的第1温度传感器之间，水箱上另一个管路通过阀门II连接到排气装置和置于水泵前的第1温度传感器之间，并在该另一个管路的阀门II和水箱之间引出一个进水口；置于水泵后的第2温度传感器和热泵之间引出一个管路通过阀门III连接到电磁流量计后端；控制装置中的温度采集和数模转换装置分别与置于热泵后的第3温度传感器、第4温度传感器、置于三通分流后的第5温度传感器和置于循环水泵前的第1温度传感器相连，调整电动三通分流调节阀的分流比例的装置通过温度采集和数模转换装置，与置于三通分流后的第5温度传感器、置于循环水泵前的第1温度传感器相连。

所述的电动三通分流调节阀自动控制装置包括，

1)采集置于热泵后的第3温度传感器和第4温度传感器的温度数据并进行数模转换的装置；

2)通过所采集的温度数据计算电动三通分流调节阀的分流比例的装置；

3)采集置于三通分流后的第5温度传感器和置于循环水泵前的第1温度传感器的温度数据并进行数模转换的装置；

4)通过采集置于三通分流后的第5温度传感器和置于循环水泵前的第1温度传感器的温度数据调整电动三通分流调节阀的分流比例的装置。

本发明具有的优点和有益效果，该测试采用热泵作为冷、热源可以进行供冷或供热工况下的岩土体热物性测试；研究热泵系统的运行性能以及大地温度场的恢复状态等；测量设备精度较高，测试运行稳定可靠，测试数据准确；采用电动三通分流调节阀保证输入或提取的热量恒定，便于应用现有恒热流传热模型进行数据分析和计算。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明电动三通分流控制流程图；

图3为测试仪的电气控制原理图

图4为热物性测试过程示意图；

图5为测试仪输入地下的热量随运行时间的变化曲线图；

图6为计算拟合曲线图。

具体实施方式

包括至少一个排气装置1，一个循环水泵4、水泵前后至少一个温度传感器3和5，至少一个热泵7，热泵后至少一个温度传感器8，一个排气阀11，压力变送器17、一个温度传感器18和一个电磁流量计19，控制装置26，其特征是，测试仪还包括一个电动三通分流调节阀10，调节阀后的支路I，一个冷凝器13和一个温度传感器15；排气装置1依次与置于水泵前的温度传感器3、循环水泵4、置于水泵后的温度传感器5、热泵7、置于热泵后的温度传感器8、电动三通分流调节阀10、压力变送器17、置于三通分流后的温度传感器18、电磁流量计19相连；冷凝器13依次与排气阀11、电动三通分流调节阀10；压力变送器17与电动三通分流调节阀10之间引出一个管路依次与温度传感器15、冷凝器13相连；水箱25上一个管路通过阀门I21连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间，水箱25上另一个管路通过阀门II23连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间并引出一个进水口；置于水泵后的温度传感器5和热泵7之间引出一个管路通过阀门III24连接到电磁流量计19后端；控制装置26中的温度采集和数模转换装置分别与置于热泵后的温度传感器8和温度传感器15和置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3相连，温度采集和数模转换装置，置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3分别与电动三通分流调节阀10的分流比例的装置相连。

所述的控制装置26包括，

1)采集置于热泵后的温度传感器8和温度传感器15的温度数据并进行数模转换的装置27；

2)通过所采集的温度数据计算电动三通分流调节阀10的分流比例的装置28；

3)采集置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3的温度数据并进行数模转换的装置29；

4)通过置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3的温度数据调整电动三通分流调节阀10的分流比例的装置30。

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1简单清楚地描述了测试仪的内部结构和相关关系。从循环管道的入口端A开始，至少一个排气装置1，一个循环水泵4、水泵前后至少一个温度传感器3和5，至少一个热泵7，热泵后至少一个温度传感器8，一个排气阀11，压力变送器17、一个温度传感器18和一个电磁流量计19，控制装置26，其特征是，测试仪还包括一个电动三通分流调节阀10，调节阀后的支路I，一个冷凝器13和一个温度传感器15；排气装置1依次与置于水泵前的温度传感器3、循环水泵4、置于水泵后的温度传感器5、热泵7、置于热泵后的温度传感器8、电动三通分流调节阀10、压力变送器17、置于三通分流后的温度传感器18、电磁流量计19相连；冷凝器13依次与排气阀11、电动三通分流调节阀10；压力变送器17与电动三通分流调节阀10之间引出一个管路依次与温度传感器15、冷凝器13相连；水箱25上一个管路通过阀门I21连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间，水箱25上另一个管路通过阀门II 23连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间并引出一个进水口；置于水泵后的温度传感器5和热泵7之间引出一个管路通过阀门III24连接到电磁流量计19后端。

图2给出了电动三通分流调节阀的自动控制流程图，计算电动三通分流调节阀分流比例的装置28通过温度采集及数模转换装置27，根据温度传感器8和15的温度来计算向对应的分流比例。同时，调节电动三通分流调节阀分流比例的装置30通过温度采集及数模转换装置29，根据温度传感器18和3的反馈温度来对计算电动三通分流调节阀分流比例的装置28的计算结果进行修正调整。

图3绘制的是测试仪的电气控制原理图。系统总电源开关DZ1与外接220V交流电源相连；热泵电源经热泵供电保护开关DZ2、“启动/停止”无触点开关KM1与总电源相连；水泵电源经水泵供电保护开关DZ3、“启动/停止”无触点开关KM2与总电源相连；辅助电源经辅助设备供电保护空开DZ4、“启动/停止”无触点开关KM3与总电源相连；热泵、水泵、辅助用电设备并联。电动三通调节阀电源经调节阀供电保护开关DZ5与辅助电源相连；报警器经“示警开/示警停”无触点开关KM4与辅助电源相连；测试仪内的照明灯经供电保护空开DZ6与辅助电源相连；电动三通调节阀、车内照明和报警器并联。“手动/自动”控制功能选择开关K2、控制切换无触点开关KM5与常闭急停开关K3串联于电源火线。手动控制接通时，KM5线圈通电，热泵支路无触点开关KM5-1吸合，热泵电源“启动/停止”手动开关AN1和AN2与KM1线圈串联，AN1与KM1其中一对触点并联；水泵支路无触点开关KM5-2吸合，水泵电源“启动/停止”手动开关AN3和AN4与KM2线圈串联，AN3与KM2其中一对触点并联；辅助设备支路无触点开关KM5-3吸合，辅助电源“启动/停止”手动开关AN5和AN6与KM3线圈串联，AN5与KM3其中一对触点并联；报警器支路无触点开关KM5-4吸合，报警器电源“启动/停止”手动开关AN7和AN8与KM4线圈串联，AN7与KM4其中一对触点并联。自动控制接通时，KM5线圈不通电。热泵支路无触点开关KM5-1不吸合，热泵电源“启动/停止”自动开关PO0与KM1线圈串联；水泵支路无触点开关KM5-2不吸合，水泵电源“启动/停止”自动开关PO1与KM2线圈串联；辅助设备电源支路无触点开关KM5-3不吸合，辅助设备电源“启动/停止”自动开关PO2与KM3线圈串联；报警器支路无触点开关KM5-4不吸合，报警器电源“启动/停止”自动开关PO3与KM4线圈串联。

图4是热物性测试方法及流程图。测试时，在将要埋设地热换热器的现场钻孔、埋管并回填，钻孔直径和深度、埋管类型和尺寸以及回填材料与实际设计一致。钻孔中的U形管换热器与测试仪管道入口端A和出口端B相连；开启阀门22，关闭其余阀门，为水箱充水；开启阀20、21、22、24，其余阀门关闭，清洗地埋管，并将流体注满管道，管道中的气体由排气装置1和11排出。测试仪正常工作时，关闭阀22、23、24，其余阀门打开，温度传感器3采集地下埋管流体出井温度T1，经循环水泵后，温度传感器5采集水泵后温度T2，然后流体进入热泵机组，经加热或制冷后，由温度传感器8采集热泵出口温度T3，流体流经电动三通分流调节阀后，支路I流体流向排气装置11和冷凝器，由温度传感器15测量冷凝器出口温度后汇合到进井管路，在流经压力传感器和电磁流量计后即进入地下埋管形成封闭循环。测试仪还配有三个功率传感器分别采集水泵、热泵和所有用电设备总功率。测试时，可选择热泵制冷或供暖运行模式连续运行数十小时以上，根据这段时间内采集的埋管换热器的进出水口温度、流量值、热泵制热或制冷量等数据，利用传热学理论应用MATLAB软件结合参数估计法计算钻孔周围岩土体的平均热物性参数。参数估计法计算公式为：

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{cal},i}-T_{\exp ,i})}^2$

将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使方差和取得最小值时计算出的热物性参数就是所求的结果。式中，T_cali为第i时刻由传热模型计算出的管内流体平均温度；T_exp，i为第i时刻实际测量的管内流体平均温度；N为实验数据组数。

实施例：

与地下埋管换热器相连的管道系统、电动三通分流调节阀的自动控制系统。从循环管道的入口端A开始，一个排气装置1，一个格兰富CRE1-11变频离心泵4、水泵前后各一个PT1000热敏电阻型温度传感器3和5，一个沃富PH004水风一体式热泵7，热泵后一个PT1000热敏电阻型温度传感器8，一个排气阀11，一个PS-B₁型压力变送器17、一个PT1000热敏电阻型温度传感器18和一个PS-F₂-HXLDE型电磁流量计19，控制装置26，其特征是，测试仪还包括一个381LSA-20型电动三通分流调节阀10，调节阀后的支路I，一个冷凝器13和一个PT1000热敏电阻型温度传感器15；排气装置1依次与置于水泵前的温度传感器3、循环水泵4、置于水泵后的温度传感器5、热泵7、置于热泵后的温度传感器8、电动三通分流调节阀10、压力变送器17、置于三通分流后的温度传感器18、电磁流量计19相连；冷凝器13依次与排气阀11、电动三通分流调节阀10；压力变送器17与电动三通分流调节阀10之间引出一个管路依次与温度传感器15、冷凝器13相连；水箱25上一个管路通过阀门I21连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间，水箱25上另一个管路通过阀门II 23连接到排气装置1和置于水泵前的温度传感器3之间并引出一个进水口；置于水泵后的温度传感器5和热泵7之间引出一个管路通过阀门III24连接到电磁流量计19后端；控制装置26中的温度采集和数模转换装置分别与置于热泵后的温度传感器8和温度传感器15和置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3相连，温度采集和数模转换装置，置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3分别与电动三通分流调节阀10的分流比例的装置相连。

所述的控制装置包括，

1)采集置于热泵后的温度传感器8和温度传感器15的温度数据并进行数模转换的装置；

2)通过所采集的温度数据计算电动三通分流调节阀10的分流比例的装置；

3)采集置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3的温度数据并进行数模转换的装置；

4)通过置于三通分流后的温度传感器18和置于循环水泵前的温度传感器3的温度数据调整电动三通分流调节阀10的分流比例的装置。

所述的电气控制系统总电源开关DZ1与外接220V交流电源相连；热泵电源经热泵供电保护开关DZ2、“启动/停止”无触点开关KM1与总电源相连；水泵电源经水泵供电保护开关DZ3、“启动/停止”无触点开关KM2与总电源相连；辅助电源经辅助设备供电保护空开DZ4、“启动/停止”无触点开关KM3与总电源相连；热泵、水泵、辅助用电设备并联。电动三通调节阀电源经调节阀供电保护开关DZ5与辅助电源相连；报警器经“示警开/示警停”无触点开关KM4与辅助电源相连；测试仪内的照明灯经供电保护空开DZ6与辅助电源相连；电动三通调节阀、车内照明和报警器并联。“手动/自动”控制功能选择开关K2、控制切换无触点开关KM5与常闭急停开关K3串联于电源火线。

电气控制系统工作时，当手动控制接通时，KM5线圈通电，热泵支路无触点开关KM5-1吸合，热泵电源“启动/停止”手动开关AN1和AN2与KM1线圈串联，AN1与KM1其中一对触点并联；水泵支路无触点开关KM5-2吸合，水泵电源“启动/停止”手动开关AN3和AN4与KM2线圈串联，AN3与KM2其中一对触点并联；辅助设备支路无触点开关KM5-3吸合，辅助电源“启动/停止”手动开关AN5和AN6与KM3线圈串联，AN5与KM3其中一对触点并联；报警器支路无触点开关KM5-4吸合，报警器电源“启动/停止”手动开关AN7和AN8与KM4线圈串联，AN7与KM4其中一对触点并联。自动控制接通时，KM5线圈不通电。热泵支路无触点开关KM5-1不吸合，热泵电源“启动/停止”自动开关PO0与KM1线圈串联；水泵支路无触点开关KM5-2不吸合，水泵电源“启动/停止”自动开关PO1与KM2线圈串联；辅助设备电源支路无触点开关KM5-3不吸合，辅助设备电源“启动/停止”自动开关PO2与KM3线圈串联；报警器支路无触点开关KM5-4不吸合，报警器电源“启动/停止”自动开关PO3与KM4线圈串联。

浅层岩土体热物理性质原位测试仪的测试方法是：在将要埋设地热换热器的现场钻孔、埋管并回填，钻孔直径和深度、埋管类型和尺寸以及回填材料与实际设计一致。钻孔中的U形管换热器与测试仪管道入口端A和出口端B相连；开启阀门22，关闭其余阀门，为水箱充水；开启阀20、21、22、24，其余阀门关闭，清洗地埋管，并将流体注满管道，管道中的气体由排气装置1和11排出。测试仪正常工作时，关闭阀22、23、24，其余阀门打开，温度传感器3采集地下埋管流体出井温度T1，经循环水泵后，温度传感器5采集水泵后温度T2，然后流体进入热泵机组，经加热或制冷后，由温度传感器8采集热泵出口温度T3，流体流经电动三通分流调节阀后，支路I流体流向排气装置11和冷凝器，由温度传感器15测量冷凝器出口温度后汇合到进井管路，在流经压力传感器和电磁流量计后即进入地下埋管形成封闭循环。测试仪还配有三个功率传感器分别采集水泵、热泵和所有用电设备总功率。测试时，可选择热泵制冷或供暖运行模式连续运行数十小时以上，根据这段时间内采集的埋管换热器的进出水口温度、流量值、热泵制热或制冷量等数据，利用传热学理论应用MATLAB软件结合参数估计法计算钻孔周围岩土体的平均热物性参数。参数估计法计算公式为：

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{cal},i}-T_{\exp ,i})}^2$

将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使方差和取得最小值时计算出的热物性参数就是所求的结果。式中，T_cal，i为第i时刻由传热模型计算出的管内流体平均温度；T_exp，i为第i时刻实际测量的管内流体平均温度；N为实验数据组数。

钻孔深度88m，孔径180mm，双U型地下埋管换热器，埋管内径25mm，地下岩土初始温度10.2℃，孔径钻孔热流密度62w/m，地层在孔深范围内为3m回填土、25m黄土层，其余为红泥岩。

采用热泵作为冷、热源时，由于热泵的功率随流体进口温度的变化而变化，因而无法完全保证测试过程中向地下输入或提取恒定的热量。测试仪加上电动三通分流调节阀和冷凝器后，从图6中可以看出，输入钻孔的热量自开启热泵约5个小时候后基本保持在5.4kW左右，因而可以保证输入地下的热量恒定。因而可以直接利用线源模型和柱源模型来分析计算土层的热传导系数和钻孔热阻。

计算热物性参数时，用MATLAB编制计算程序，按照工程经验对土层热传导系数和钻孔热阻进行初始赋值，利用最小二乘法进行拟合，使由计算模型求出的埋管中流体的平均温度和实际测量的温度的方差和最小，此时，调整后的值就是求得的平均岩土热物性值。如果误差比较大，可以通过修改初始赋值来改进计算结果。经计算，利用线源模型得到的土壤热传导系数λ＝2.4284W/m·K，热阻R＝0.1017m²·K/W；利用柱源模型计算的土壤热传导系数λ＝2.1644W/m·K，钻孔热阻R＝0.0862m²·K/W。参数计算拟合曲线如图6所示。

Claims (2)

1.一种浅层岩土体热物理性质原位测试仪，包括至少一个排气装置(1)，一个循环水泵(4)、水泵前至少一个第1温度传感器(3)和水泵后至少一个第2温度传感器(5)，至少一个热泵(7)，热泵后至少一个第3温度传感器(8)，一个排气阀(11)，压力变送器(17)、一个第5温度传感器(18)和一个电磁流量计(19)，控制装置(26)，其特征是，测试仪还包括一个电动三通分流调节阀(10)，一个冷凝器(13)和一个第4温度传感器(15)在所述调节阀后的支路I上；排气装置(1)依次与置于水泵前的第1温度传感器(3)、循环水泵(4)、置于水泵后的第2温度传感器(5)、热泵(7)、置于热泵后的第3温度传感器(8)、电动三通分流调节阀(10)、压力变送器(17)、置于三通分流后的第5温度传感器(18)、电磁流量计(19)相连；冷凝器(13)依次与排气阀(11)、电动三通分流调节阀(10)相连；压力变送器(17)与电动三通分流调节阀(10)之间引出一个管路依次与第4温度传感器(15)、冷凝器(13)相连；水箱(25)上一个管路通过阀门I(21)连接到排气装置(1)和置于水泵前的第1温度传感器(3)之间，水箱(25)上另一个管路通过阀门II(23)连接到排气装置(1)和置于水泵前的第1温度传感器(3)之间，并在该另一个管路的阀门II(23)和水箱(25)之间引出一个进水口；置于水泵后的第2温度传感器(5)和热泵(7)之间引出一个管路通过阀门III(24)连接到电磁流量计(19)后端；控制装置(26)中的温度采集和数模转换装置分别与置于热泵后的第3温度传感器(8)、第4温度传感器(15)、置于三通分流后的第5温度传感器(18)和置于循环水泵前的第1温度传感器(3)相连，调整电动三通分流调节阀(10)的分流比例的装置通过温度采集和数模转换装置，与置于三通分流后的第5温度传感器(18)、置于循环水泵前的第1温度传感器(3)相连。

2.根据权利要求1所述的浅层岩土体热物理性质原位测试仪，其特征是，所述的控制装置包括，

1)采集置于热泵后的第3温度传感器(8)和第4温度传感器(15)的温度数据并进行数模转换的装置(27)；

2)通过所采集的温度数据计算电动三通分流调节阀(10)的分流比例的装置(28)；

3)采集置于三通分流后的第5温度传感器(18)和置于循环水泵前的第1温度传感器(3)的温度数据并进行数模转换的装置(29)；

4)通过采集置于三通分流后的第5温度传感器(18)和置于循环水泵前的第1温度传感器(3)的温度数据调整电动三通分流调节阀(10)的分流比例的装置(30)。

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