CN102033079B - 地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪，该测试仪包括管路循环系统、测试系统和监控系统，其中管路循环系统由流量传感器、循环水泵、电加热器、膨胀罐、排气阀、三通阀、补水阀通过接头连接U型地埋管所构成的回路；测试系统由流量传感器、温度传感器、压力传感器、功率传感器所构成，并分别与监控系统相连，该测试仪结构紧凑，便于携带，一台机器可以同时实现地层热物性测试和换热量测试的两种测试模式，一机两用，经济方便；两个循环泵轮流使用，延长了循环泵的使用寿命，测试调节较方便，测试数据准确。

Description

地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪

技术领域

本发明属于暖通空调新技术地源热泵地埋管系统的测试技术领域，特别涉及地下换热器周围地层的原位热物性及地埋管换热量的测试仪和现场测试方法。 

背景技术

随着地源热泵技术在我国的推广应用，大量地源热泵工程有成功有失败，究其原因主要是地源热泵的设计环节出现了较大的偏差。 

目前地源热泵的设计主要是依赖国外的经验，而没有根据国内实际的地质条件、水文条件和地温分布条件来进行合理的设计。 

实验室的地层热物性测试在取样、运输、测试等一系列过程中无可避免的破坏了地层的原位特性，不能真实地反映钻孔周围地层的综合热物性参数，因而2005年11月发布的《地源热泵系统工程技术规范》（2009年版）规定了当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在5000m²以上，或实施了地层热响应试验的项目，应利用地层热响应试验结果进行地埋管换热器的设计。 

目前国内有不少科研单位或学校研制了地层热响应测试仪，但是现有的设备存在着以下不足：不能同时模拟换热量和热导率测试两种模式；因为配置了水箱，极大地增加了系统的体积，运输不便；系统运行还没有完全实现自动化。 

发明内容

本发明的目的是针对现有地源热泵现场热响应测试装置的不足之处，提供了一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法，该测试仪具有结构紧凑、操作方便、成本低、测量准确等特点。 

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪，其特征在于该装置包括管路循环系统、测试系统和监控系统。 

其中管路循环系统由流量传感器1、循环水泵2、电加热器3、膨胀罐4、排气阀7、特制接头14、U型地埋管15、三通阀8和补水阀9所构成，流量传感器1一侧通过管道与测试仪入口A端连接，该段管道上接有三通阀8，测试仪补水口C端接在三通阀8下端管道上，在测试仪补水口C端管道上接有补水阀9，流量传感器1的另一侧通过管道和循环水泵2相接，循环水泵2上部通过管道与电加热器3下部连接，电加热器3上部通过管道与膨胀罐4相连，电加热器3的一侧通过管道与测试仪出口B端连接，该处管道上接有排气阀7，测试仪入口A端通过特制接头14与U型地埋管15的出口连接，测试仪出口B端通过特制接头14与U型地埋管15的入口连接； 

测试系统由流量传感器1、温度传感器5、压力传感器6、功率传感器13所构成，流量传感器1一端接在测试仪入口A端管道上，另一端和监控系统12相连，在流量传感器1和测试仪入口A端相连接的管道上及电加热器3和测试仪出口B端相连接的管道上分别安装T₁和T₂温度传感器5及P₁和P₂压力传感器6，在测试仪箱体内部和外部分别布置T₃和T₄温度传感器5，所述的T₁、T₂、T₃、T₄温度传感器5、P₁和P₂压力传感器6的另一端和监控系统12相连，功率传感器13一端和电加热器3相连，另一端和监控系统12相连；

监控系统12由仪表系统和操作控制系统组成，其中仪表系统的模拟量测量模块一端与流量传感器1、温度传感器5、压力传感器6、功率传感器13相连接，另一端与A/D转换模拟输入模块相连接，PLC一端和A/D转换模拟输入模块相连接，另一端通过系统I/O口与人机界面、开关量输出相连接，人机界面与U盘存储装置、PC机连接，另为系统提供配套电源及风扇；操作控制系统的组成为：220V交流电源，该电源通过相序保护继电器与仪表开关、仪表电源连接；同时伺服电机驱动器11与仪表电源并联；通过调节伺服电机驱动器11上的旋钮开度来改变水泵的转速，同时380V交流电源10通过相序保护继电器、接触器开关与电加热器3连接，电加热器3与功率传感器13输入端相连，以上所有电源均来自于供电电源10；

上述流量传感器1为LWGY-25涡轮流量传感器，用以产生与流量值相对应的脉冲信号；温度传感器5为PT100，用以产生与温度值相对应的标准电流信号；压力传感器6为HM20-1型压力变送器，用以产生与压力值相对应的电压信号；功率传感器的型号为PK-6013，用以产生与功率值相对应的电压信号；电加热器3的额定加热功率为12KW，保证足够的加热功率，通过控制加热功率来实现对电加热器3加热功率的控制；对循环水泵2进行了伺服电机改造，智能调速仪型号为XMT-30001D，用来实现对水泵转速的无级调节，从而实现对循环液流量的无级调节；两个循环水泵型号为PWN-162，可以按照设定的时间轮流使用，减轻了连续运行时过热对测试的影响，也延长了循环水泵的使用寿命。

测试仪中的连接管道、接头、弯头和三通采用的是DN32的不锈钢管，膨胀罐4电弧焊接在电加热器的上端，压力传感器6电弧焊接在电加热器3的一侧，连接循环水泵2和电加热器3的管道部分电弧焊接在电加热器3下端，测试仪管路循环系统其他部件在循环管路中的连接均是通过连接管道、接头、弯头或三通螺纹连接，两个循环水泵2并联在管路循环系统中。 

上述U型地埋管15是测试现场预先埋好的，埋管内充满水并对端口进行了密封，钻孔已回填，这一部分不属于本测试仪的装置范围。 

上述连接测试仪进出口两端与U型地埋管15两端的特制接头14是由两个DN32的90度弯头和一个DN32的直流三通电弧焊接而成，连接的是双U型的U型地埋管15，特制接头14和测试仪部分的连接是螺纹连接，在接U型地埋管的一端需和一端带有内螺纹另一端可以和U型地埋管热熔连接的接头相连；如果是单U型的地埋管就不需要特制接头14，只需要上述的带有内螺纹的接头即可将测试仪和U型地埋管15相连接，因常用的地埋管为DN25或DN32的HDPE管，故常用的接头为DN25或DN32的带内螺纹的PE接头，测试仪的管径和U型地埋管15的管径不一致时，中间用DN32-DN25的PE变径接头热熔连接。 

上述A/D转换模拟输入模块的型号为04AD-E2；PLC的型号为DVP16ES2；人机界面的型号为DOP-B07S211，人机界面带有U盘多程序存储功能，存储容量的大小取决于外接U盘的内存大小，在整个工作过程中，所有的测试数据将被保存到可移动U盘中，方便拷贝数据；任意时刻的测试数据将在人机界面上显示，人机界面还带有标准的RS485接口，可以将测试数据上传至PC机，利用组态王软件可以将显示屏上的数据显示出来，并以图形曲线的形式显示数据的实时变化，观测到的结果也可以在PC机上进行存储；在测试仪处安装发射器，在远处的PC机处（200米范围内）安装接收器，可以实现无线远程监控，同样可以实现数据的观测和存储。 

使用上述测试仪进行测试的方法，其测试步骤如下： 

第一步：测试前的准备。

将灌装循环液的地埋管埋设在按设计要求钻好孔的地层中，钻孔回填后，放置2~3天，使得地温恢复到初始状态，减少钻孔对地层的扰动，保证测量结果的准确。 

将测试仪循环管道的A、B两端分别与U型地埋管15的两端用特制接头14相连接，至此即形成一个完整的回路。 

接通电源后，打开排气阀7、补水阀9、将三通阀8开向排气状态，开启循环水泵2，调节水泵转速即调节流量至设定值，通过补水端C将循环回路中充满水，排出循环回路中的气体，关闭排气阀7、补水阀9，将三通阀8开向循环状态，测试准备完毕，可以开始测试工作。 

第二步：模式选择。 

选择地层热物性测试模式或地埋管换热量测试模式。 

两种测试模式的测试原理分别如下： 

（1）地下换热器的散热量测试

地埋管散热量主要是模拟空调系统夏季的实际运行工况，在给定地埋管进出口温度的情况下，确定每米孔深的换热量。

计算公式为： 

           

                    （1）

式中，

——地埋管换热器每米孔深换热量，

；

——地埋管总换热量，

；

——地下换热器的埋管深度，

；

——循环液的比热，

；

——循环液的密度，；

——循环液的流量，

；

——埋管进出口温差，

。

（2）钻孔原位热物性的测试 

钻孔原位热物性的测试数据处理方法是采用线源理论，利用反算法推导出岩土热物性参数。

其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和

取得最小值时，通过传热模型计算出的热物性参数即是所求结果，方差和的计算式如下： 

                 

                   （2）

式中，

——第

时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度；

——第时刻由实际测量的埋管中流体的平均温度；

——试验测量的数据的组数。

也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算得到现场岩土的热物性参数，同时根据专业的地埋管系统设计软件可以确定在不同的进出口温度的情况下，确定地埋管单位长度的换热量。 

第三步：不同模式测试： 

1．在地层热物性测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制加热功率的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定加热功率和循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管进出口温差是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48个小时后，结束测试；

2．在地埋管换热量测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制地埋管入口水温的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间和地埋管入口水温；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管入口水温是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48小时后，结束测试。

测试存储的数据通过软件EXCEL转换为直观的曲线图表，依据公式（1）、（2）进行计算，可以得到地层导热系数、热阻或地埋管单位井深换热量这些地埋管部分设计的重要参数。 

本发明的有益效果为：测试仪结构紧凑、便于携带；多种数据观测方式，保证测试的顺利进行；一台仪器可以同时实现地层热物性测试和换热量测试的两种测试模式，一机两用，经济方便；两个循环泵轮流使用，延长了循环泵的使用寿命，同时可以无级调节水泵的转速，测试调节较方便；现场运行稳定、测试数据准确，利于地源热泵空调系统的研发和推广应用。 

附图说明

图1为测试仪的原理结构示意图； 

图2为测试仪监控系统的仪表系统框图；

图3为测试仪监控系统电气原理图；

图4为特制接头示意图；

图5为测试仪测试流程图。

图中：1-流量传感器；2-循环水泵；3-电加热器；4-膨胀罐； 5-温度传感器；6-压力传感器；7-排气阀；8-三通阀；9-补水阀；10-供电电源；11-伺服电机驱动器；12-监控系统；13-功率传感器；14-特制接头；15-U型地埋管。 

具体实施方式

下面结合附图与实施案例对本发明作进一步说明。 

实施例1

图1为测试仪的原理结构示意图，本测试仪包括管路循环系统、测试系统和监控系统。

其中管路循环系统由流量传感器1、循环水泵2、电加热器3、膨胀罐4、排气阀7、特制接头14、U型地埋管15、三通阀8和补水阀9所构成，流量传感器1一侧通过DN32的不锈钢管管道与测试仪入口A端用螺纹连接，该段管道上接有三通阀8，测试仪补水C端接在三通阀8下端管道上，在测试仪补水C端管道上接有补水阀9，LWGY-25涡轮流量传感器1的另一侧通过DN32的不锈钢管管道和PWN-162型循环水泵2用螺纹相接，循环水泵2上部通过管道与额定加热功率为12KW的电加热器3下部用焊接连接，电加热器3上部通过管道与膨胀罐4用弧焊接相连，电加热器3的一侧通过管道与测试仪出口B端用螺纹连接，该处管道上用螺纹连接有排气阀7，测试仪入口A端通过特制接头14与U型地埋管15的出口用螺纹连接，测试仪出口B端通过特制接头14与U型地埋管15的入口用螺纹连接，从而构成一个管路循环系统； 

测试仪中的连接管道、接头、弯头和三通采用的是DN32的不锈钢管，膨胀罐4电弧焊接在电加热器3的上端，P₂压力传感器6和T₂温度传感器5用电弧焊接在电加热器3的一侧的管道上，连接循环水泵2和电加热器3的管道部分电弧焊接在电加热器3下端，测试仪管路循环系统其他部件在循环管路中的连接均是通过连接管道、接头、弯头或三通螺纹连接，两个循环水泵2并联在管路循环系统中。

上述U型地埋管15是测试现场预先埋好的，埋管内充满水并对端口进行了密封，钻孔已回填，图1中黑线右侧部分的U型地埋管15不属于本测试仪的装置范围，故用虚线示意。 

测试系统由流量传感器1、温度传感器5、压力传感器6、功率传感器13所构成，LWGY-25涡轮流量传感器1一端螺纹连接在测试仪入口A端管道上，另一端和监控系统12相连，在流量传感器1和测试仪入口A端相连接的管道上及电加热器3和测试仪出口B端相连接的管道上分别布置T₁和T₂温度传感器5 及P₁和P₂压力传感器6，在测试仪箱体内部和外部分别布置一个T₃和T₄温度传感器5，T₁、T₂、T₃、T₄温度传感器5、P₁和P₂压力传感器6的另一端和监控系统12相连，功率传感器13一端和电加热器3相连，另一端和监控系统12相连。 

图2为测试仪监控系统的仪表系统框图，仪表系统的组成为：模拟量测量模块一端与流量传感器1、T₁、T₂、T₃、T₄温度传感器5、P₁和P₂压力传感器6、功率传感器13相连接，另一端与A/D转换模拟输入模块相连接，PLC一端和A/D转换模拟输入模块相连接，另一端通过系统I/O口与人机界面、开关量输出相连接，人机界面与U盘存储装置、PC机连接，另为系统提供配套电源及风扇。 

图3为测试仪监控系统电气原理图，操作控制系统的组成为：220V交流电源10，该电源通过相序保护继电器与仪表开关、仪表电源连接；同时水泵电源经水泵开关与仪表电源并联；同时380V交流电源10通过相序保护继电器、接触器开关与电加热器3连接，电加热器3与功率传感器13输入端相连。 

上述流量传感器1为LWGY-25涡轮流量传感器，用以产生与流量值相对应的脉冲信号；温度传感器5为PT100，用以产生与温度值相对应的标准电流信号；压力传感器6为HM20-1型压力变送器，用以产生与压力值相对应的电压信号；功率传感器的型号为PK-6013，用以产生与功率值相对应的电压信号；电加热器3的额定加热功率为12KW，保证足够的加热功率，通过控制加热功率来实现对电加热器3加热功率的控制；对循环水泵2进行了伺服电机改造，智能调速仪型号为XMT-30001D，用来实现对水泵转速的无级调节，从而实现对循环液流量的无级调节；两个循环水泵型号为PWN-162，可以按照设定的时间轮流使用，减轻了连续运行时过热对测试的影响，也延长了循环水泵的使用寿命。 

上述A/D转换模拟输入模块的型号为04AD-E2；PLC的型号为DVP16ES2；人机界面的型号为DOP-B07S211，人机界面带有U盘多程序存储功能，存储容量的大小取决于外接U盘的内存大小，在整个工作过程中，所有的测试数据将被保存到可移动U盘中，方便拷贝数据；任意时刻的测试数据将在人机界面上显示，人机界面还带有标准的RS485接口，可以将测试数据上传至PC机，利用组态王软件可以将显示屏上的数据显示出来，并以图形曲线的形式显示数据的实时变化，观测到的结果也可以在PC机上进行存储；在测试仪处安装发射器，在远处的PC机处（200米范围内）安装接收器，可以实现无线远程监控，同样可以实现数据的观测和存储。 

图4为特制接头14示意图，特制接头14是由两个DN32的90度弯头和一个DN32的直流三通电弧焊接而成，连接的是双U型的U型地埋管15，特制接头14和测试仪部分的连接是螺纹连接，在接U型地埋管15的一端需和一端带有内螺纹另一端可以和U型地埋管15热熔连接的接头相连；如果是单U型的地埋管15就不需要特制接头，只需要上述的带有内螺纹的接头即可将测试仪和U型地埋管15相连接，因常用的地埋管为DN25或DN32的HDPE管，故常用的接头为DN25或DN32的带内螺纹的PE接头，测试仪的管径和U型地埋管管径不一致时，中间用DN32-DN25的PE变径接头热熔连接。 

实施例2

图5 为测试仪测试流程图，本发明的测试过程具体包括以下几个步骤：

第一步：系统初始化测试前的准备。

将装满循环液的地埋管埋设在按设计要求钻好孔的地层中，钻孔回填后，放置2~3天，使得地温恢复到初始状态，减少钻孔对地层的扰动，保证测量结果的准确。 

将测试仪循环管道的A、B两端分别与U型地埋管15的两端用特制接头14相连接，至此即形成一个完整的回路。 

接通电源后，打开排气阀7、补水阀9、将三通阀8开向排气状态，开启循环水泵2，调节水泵转速即调节流量至设定值，通过补水端C将循环回路中充满水，排出循环回路中的气体，关闭排气阀7、补水阀9，将三通阀8开向循环状态，测试准备完毕，可以开始测试工作。 

第二步：模式选择。 

选择地层热物性测试模式或地埋管换热量测试模式。 

第三步：不同模式测试： 

1．在地层热物性测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制加热功率的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定加热功率和循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管进出口温差是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48个小时后，结束测试；

2．在地埋管换热量测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制地埋管入口水温的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间和地埋管入口水温；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管入口水温是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48小时后，结束测试。

测试存储的数据通过软件EXCEL转换为直观的曲线图表，依据公式（1）、（2）进行计算，可以得到地层导热系数、热阻或地埋管单位井深换热量这些地埋管部分设计的重要参数。 

应用本测试仪可以实现地层热物性测试与散热量测试两种测试模式的测试，适应性强，可以满足不同类型的测试需求。 

实施例3

地埋管有效深度为80m，测试孔的地埋管为单U型，采用的是PE100-φ25mm高密度聚乙烯管材，地埋管回填料为膨润土、细砂的混合浆（1：4），钻孔孔径为φ150mm，管内循环介质为清水。

将实施例1的测试仪循环管道的A、B两端分别与U型地埋管15的两端用DN32的带有内螺纹的PE接头和DN32-DN25的PE变径接头相连接，其中变径接头和U型地埋管之间、与带有内螺纹的PE接头之间是热熔焊接，带有内螺纹的PE接头与测试仪之间是螺纹连接，至此即形成一个完整的回路。 

接通电源后，打开排气阀7、补水阀9，将三通阀8开至排气状态，选择控制加热功率的模式，开启循环水泵，调节水泵转速即调节流量至设定值，将测试箱内的循环管中也充满水，排出循环回路中的气体，关闭排气阀7、补水阀9，将三通阀8开至循环状态，正式开始测试。 

在一定时间内连续采集到的加热功率、测试仪入口温度和出口温度、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数和钻孔热阻，达到检测目的，测试及计算结果下表。 

实施例4

地埋管有效深度为100m，测试孔的地埋管为单U型，采用的是PE100-φ32mm高密度聚乙烯管材，地埋管回填料为膨润土、黄砂的混合浆（1：5），钻孔孔径为φ130mm，管内循环介质为清水。

将实施例1的测试仪循环管道的A、B两端分别与U型地埋管15的两端用DN32的带有内螺纹的PE接头进行连接，其中PE接头和U型地埋管之间是热熔焊接，与测试仪之间是螺纹连接，至此即形成一个完整的回路。 

接通电源后，打开排气阀7、补水阀9，将三通阀8开至排气状态，选择控制埋管入口水温的模式，开启循环水泵，调节水泵转速即调节流量至设定值，将测试箱内的循环管中也充满水，排出循环回路中的气体，关闭排气阀7、补水阀9，将三通阀8开至循环状态，正式开始测试。 

在一定时间内连续采集到的测试仪入口水温和出口水温、流量值作为测量数据，同时压力传感器测量出地埋管的阻力，再利用给出的公式（1）计算出地埋管的夏季散热量，测试及计算结果下表。 

Claims (1)

1.一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪，其特征在于它包括管路循环系统、测试系统和监控系统；其中管路循环系统由流量传感器(1)、循环水泵(2)、电加热器(3)、膨胀罐(4)、排气阀(7)、特制接头(14)、U型地埋管(15)、三通阀(8)和补水阀(9)所构成，流量传感器(1)一侧通过管道与测试仪入口(A)端连接，该段管道上接有三通阀(8)，测试仪补水口(C)端接在三通阀(8)下端管道上，在测试仪补水口(C)端管道上接有补水阀(9)，流量传感器(1)的另一侧通过管道和循环水泵(2)下部相接，循环水泵(2)上部通过管道与电加热器(3)下部连接，电加热器(3)上部通过管道与膨胀罐(4)相连，电加热器(3)的一侧通过管道与测试仪出口(B)端连接，该处管道上接有排气阀(7)，测试仪入口(A)端通过特制接头(14)与U型地埋管(15)的出口连接，测试仪出口(B)端通过特制接头(14)与U型地埋管(15)的入口连接，所述的特制接头(14)是由两个DN32的90度弯头和一个DN32的直流三通电弧焊接而成；

所述的测试系统由流量传感器(1)、温度传感器(5)、压力传感器(6)、功率传感器(13)所构成，流量传感器(1)一端接在测试仪入口(A)端管道上，另一端和监控系统(12)相连，在流量传感器(1)和测试仪入口(A)端相连接的管道上及电加热器(3)和测试仪出口(B)端相连接的管道上分别安装T₁和T₂温度传感器(5)及P₁和P₂压力传感器(6)，在测试仪箱体内部和外部分别布置T₃和T₄温度传感器(5)，所述T₁、T₂、T₃、T₄温度传感器(5)、P₁和P₂压力传感器(6)的另一端分别和监控系统(12)相连，功率传感器(13)一端和电加热器(3)相连，另一端和监控系统(12)相连；

所述的监控系统(12)由仪表系统和操作控制系统组成，其中仪表系统的组成为：模拟量测量模块一端分别与流量传感器(1)、温度传感器(5)、压力传感器(6)、功率传感器(13)相连，另一端与A/D转换模拟输入模块相连，PLC一端和A/D转换模拟输入模块相连，另一端通过系统I/O口与人机界面、开关量输出相连接，人机界面与U盘存储装置、PC机连接，另为系统提供配套电源及风扇；操作控制系统的组成为：220V交流电源，该电源通过相序保护继电器与仪表开关、仪表电源连接；同时伺服电机驱动器(11)与仪表电源并联；通过调节伺服电机驱动器(11)上的旋钮开度来改变水泵的转速，同时380V交流电源通过相序保护继电器、接触器开关与电加热器(3)连接，电加热器(3)与功率传感器(13)输入端相连，以上所有电源均来自于供电电源(10)。

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