CN102116749A - 地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统 - Google Patents

Abstract

地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，属于浅层地热能应用技术领域，其特征在于：含有至少四个温度传感器，电加热器及与之相连的数字电能表，压力传感器，水泵，流量传感器，膨胀水箱，U形地埋管，循环水管，及主计算机；在U形地埋管的供，回水垂直管道上，距地面2米处至变温层与恒温层交界处，选择合适位置设置供，回水温度传感器；该主计算机在计算岩土导热系数时，在50小时内，每间隔5～10分钟，测定一次上述全部传感器数据，得出加热率的修正值；修正后，除外了大部分热扰，使U形地埋管所散出的有效散热率Q_dissi.eff，与有效加热率Q_eff基本上平衡，提高了以线热源法为基础的岩土有效导热系数现场测定值的精度和数据的重复性。

Description

地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统

技术领域

地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，属于浅层地热能应用技术领域；

背景技术

地源热泵技术，作为清洁能源，有着巨大的发展潜力，与传统的空气热交换技术相比，由于利用了大地作为储能资源，具有夏季储热，冬季吸热的作用，使大地的热状态，处于冬夏尽可能热量平衡状态；不在空气中散热形成“热岛”；又不破坏地下水资源；无污染，以及可循环利用的优点；符合我国政府向世界承诺的“节能减排”所需要的技术；但是，地热利用的前期投入很大，其中地埋管钻孔的建设占了很大部分投资，而如何合理的钻孔，既充分的利用地热资源且不造成浪费，如何准确测定岩土有效导热系数，是关键问题之一；

地下换热器的重要传热特性是导热系数。尊从我国地质工作者的习惯用语，使用“岩土”名词表示大地；“有效”指包括了：由地埋管内部的水，通过PE管管壁，管外的回填料，回填料外的岩土层所传导出的热量计算出的导热传热；并计入了地下岩土层中以分米计的微速流动形成的潜水的对流传热在内；还排除了太阳辐射和大气温度全年变化形成的岩土变温区，和实验装置的影响因素等对所测地埋管进出口水温的影响；这样测出的导热系数，称为“有效”导热系数；其符号均加下标“eff”，是英语effective的缩写。

在测定岩土综合导热系数时，所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，必须尽可能在未受任何热扰动的条件下进行实验；但由于室外不断变化的大气温湿度和日照辐射，对地下的热环境已经造成了连续的热扰动，扰动深度延续到地下变温层与恒温层的交界面处，可能深达30～40米；影响较大的是从地面起至地下深度10米处，影响最严重的是从地面起至地下2米处；这种扰动形成了地下的热或冷滞留，影响了测试时的U形地埋管的进回水温度；此外，实验装置向U形地埋管供水的连接管向岩土层散热，也严重影响了U形地埋管回水管的回水温度上升；以上对于地热水进出口水温的影响，最终对于导热系数的实验数据是有影响的；如果从能量平衡的观点出发，向U形地埋管系统加载的电制热率Q，应该等于U形地埋管向岩土层的散热率Q_dissi(w)；系列实验表明，这些扰动不可忽略：比如，高温季节的大气环境，包括强烈日照的热扰动，使得按照公式计算出来的U形地埋管水系统散热率Q_dissi(w)，比向U形地埋管水系统加载的电制热率Q，w，增加很多；Q_dissi(w)的计算值可以达到Q值的160％。

发明内容：

在于提供一种基于改进了的电制热率的现场测试系统，基本上除外了大气温湿度包括强烈日照的热扰动，使得在线热源理论的近似法基础上，导热系数的现场测试精度提高，测试结果的重复性提高；

该地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，含至少四个温度传感器，三个压力传感器，·电加热器及与之相连的数字电能表，水泵，流量传感器，膨胀水箱，U形地埋管，循环水管，以及主计算机；

其中：

在所述水泵经过循环水管向所述U形地埋管进水口供水的方向，在循环进水水管上，顺序装有：加热功率在2kw～16kw之间的所述电加热器及与之相连的数字电能表，所述第一压力传感器P₁，所述流量传感器，所述第二压力传感器P₂，以及所述第一温度传感器T₁；

在所述U形地埋管出水口经过循环出水水管向所述水泵回水的方向，在该循环出水水管上，顺序装有：所述膨胀水箱，所述第二温度传感器T₂，以及所述第三压力传感器P₃；

所述第三温度传感器T₃，装于所述U形地埋管垂直管段进水部分，用于测定该U形地埋管实际进水部分温度；

所述第四温度传感器T₄，装于所述U形地埋管垂直管段出水部分，用于测定该U形地埋管实际出水部分温度；

所述第三温度传感器T₃和第四温度传感器T₄，处于同一水平位置，其埋深都位于地下2米至20米的范围内，用于除外室外热扰动的影响；

所述数字电能表的输入端与所述电加热器的输出端相连，该数字电能表的数字输出端与主计算机的输入端相接，用于测定电加热器的制热功率；

所述主计算机，设有：三个压力信号输入端，分别与所述第一压力传感器P₁，所述第二压力传感器P₂，以及所述第三压力传感器P₃各自的压力信号的输出端相连；

该主计算机还设有：至少四个水温度信号输入端，其中：第一温度传感器T₁输入所述U形地埋管进水温度，第二温度传感器T₂输入所述U形地埋管回水温度，第三温度传感器T₃输入所述U形地埋管垂直管段内进水部分的水温，第四温度传感器T₄输入所述U形地埋管垂直管段内出水部分的水温；

该主计算机还设有：岩土综合导热系数计算模块，依次按照以下步骤，计算岩土有效导热系数：

步骤(1)，测定所述电加热器的恒定电制热率Q，以及所述水泵散入水中的散热率Q_pump，其散热率Q_pump是给定的，并输入主计算机，Q＝数字电能表输出的数字功率×(5～10分钟)，单位是w；

步骤(2)，每间隔所述5～10分钟，在50小时内，逐一测定所述四个温度传感器的温度测定值，T_1i，T_2i，T_3i，T_4i，，其中下标i为测定时刻的序号，i＝1，2，......，n；n＝600～300，并按照以下公式，计算平均有效加热率的修正值：

$\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{Q}_i$

ΔQ_i＝ρC f_i{(T_3i-T_1i)+(T_2i-T_4i)}，

式中：

ρ-水的密度kg/m³；

f_i-水的容积流量m³/s；

C-水的定压比热kJ/kg.K；

ΔQ_i-时刻i-1至时刻i的时间区间内的加热率修正值：W；

步骤(3)，按照下式，计算步骤(2)中平均有效加热率的修正值ΔQ_ave：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{Q}_i+Q_{\mathrm{pump}}$

式中：

Q_pump-水泵向循环水系统的散热率，W；

步骤(4)，按照下式，计算恒定的有效加热率Q_eff：

Q_eff＝Q+ΔQ_ave：，w；

式中：

Q-----与电加热器相连的数字电能表测得的电制热率，W；

步骤(5)，按照简化了的线热源理论导出的以下近似公式，计算岩土有效热系数K_eff：

$K_{\mathrm{eff}}=\frac{Q_{\mathrm{eff}}}{4\mathrm{\πslope}{L}_{\mathrm{eff}}},$

式中：

L_eff-由所述第三温度传感器(T₃)和第四温度传感器(T₄)的水平位置，至所述U形地埋管管底的有效钻孔深度，单位：m；

Q_eff——恒定的有效制热率，单位：W；

slope——斜率，由供回水的平均温℃与时间坐标的自然对数Lnt形成的曲线的斜率，时间的单位是小时；

K_eff——岩土有效导热系数现场测定值；单位：W/m.K。

$Q_{\mathrm{eff}}=Q+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{ave}}\≈:\mathrm{\ρC}\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(T_{3i}-T_{4i})$

式中：右侧

为所述U形地埋管向岩土层的有效散热率Q_dissi.eff(W)。

Q_eff≈Q_dissi.eff

所述压力传感器，温度传感器，流量传感器，及数字电能表的数字功率输出都是无线的；。

所述U形地埋管是单U型管，双U型管，或W型管中的任何一种；

所述电加热器，是半导体陶瓷合成物或其他材料组成的即热式，或电阻式中的任何一种；

所述第三温度传感器T₃，第温度传感器T₄，其埋深应在地平面下2～20米范围内。

所述各传感器经过变送的输出值精度，均应满足：温度T---±0.1℃，流量f----±0.5％，的要求；

所述电加热功率Q的控制精度为：标准误差不大于±1.5％，最大瞬时误差不大于±10％，所使用的数字电能表仪表精度为±0.5％；

所述有效加热量Q_eff，w，与所述U形地埋管向岩土层的有效散热量Q_dissi.eff，w，误差应在±5～10％。以内。

本发明已部分的用于北京工业大学丁良士教授地源热泵课题组的校内外的系列实验中，测量精度满足要求。

附图说明：

图1，为地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统；

图1的地面上部分包括：

1水泵；2半导体陶瓷合成物或其他材料组成的即热式电加热器；3流量传感器；4膨胀水箱；7循环水管；T₁～T₂依次为第一至第二温度传感器；P₁～P₃：依次为第一至第三压力传感器；6由以上设备和仪表共同组成的实验系统地面上部分：

图1的地面下部分包括：

5单U型地埋管，依次设有第三及第四温度传感器T₃，及T₄；分别设于U形地埋管垂直段内进水和出水方向，其埋深应在地平面下2～20米范围内；

图1中，从所述第一温度传感器T₁至第三温度传感器T₃之间的循环进水管道，第二温度传感器T₂至第四温度传感器T₄之间的循环回水管道，经过水平地埋管部分，及90度向下的弯头，向U形地埋管的垂直方向1～2米距离内，必须是加强保温的；其加强保温部分使用橡朔材料或其他保温材料，图1地下部分图中，管道外面的两条细实线表示保温材料所到达的位置；系统内的循环管道7及机组地上部分6的外壳也是保温的。

图1中的L_eff，为由所述第三，第四温度传感器的水平位置至U型地埋管管底的距离，称为U形地埋管的有效埋设深度L_eff，

图2，表示了双U形地埋管以及其温度传感器组成的测试系统的地下部分；图2(a)，图2(b)，为两种双U形地埋管连接结构示意图；从第一温度传感器T₁至第三温度传感器T₃之间的循环进水管道，以及从第四温度传感器T₄至第二温度传感器T₂之间的循环回水管道，外部都有一个橡朔材料或其他材料的加强保温层，图2中管道外面的两条细实线表示保温材料所到达的位置；同时系统内的循环管道7及机组外壳也是保温的。

在图2(a)中，双U形地埋管在近地面处合并成总管。第三温度传感器有两个：T₃，T_3a，第四温度传感器也有两个：T₄，T_4a，分别设于U形地埋管垂直段内进水和出水方向，其埋深应在地平面下2～20米范围内；

在图2(b)中，各设置一个第三，第四温度传感器，位于双U形地埋管合并成总管之后，第三温度传感器T₃设于U形地埋管供水部分，第四温度传感器T₄设于U形地埋管回水部分；其埋深应在地平面下2～20米范围内；

L_eff--由所述第三，第四温度传感器的水平位置至U型地埋管管底的距离，称为U形地埋管的有效埋设深度L_eff，表示于图2(a)，图2(b)中；每个工程应根据当地地质资料，当地大气全年气候变化，及该工程的变温层和恒温层交界处的位置；选定设置所述第三，第四温度传感器的水平位置，并由此算出U形地埋管的有效埋设深度L_eff，在测试准备中应先将将温度传感器安装于地埋管的垂直管段中；

图3，为过渡春季，一组岩土导热系数现场测试曲线；其中表示了水的平均温度T_ave(℃)与时间的自然对数Lnt曲线的斜率slope的确定方法：根据图中的公式：

Y＝2.5859Ln(X)+16.706，查到斜率slope＝2.5859

式中：Y——Y坐标为供回水平均温度，该曲线使用：℃，

X——X坐标为运行的小时数，hr，

Ln(X)——为对数横坐标，

图4，为一个与本专利相近似的岩土导热系数现场测试系统在过渡春季进行实验的测试结果；测试中对于电加热器制热率Q，w，及水从U形地埋管内向岩土的散热率Q_dissi，w，进行了比较；图例表示在图中；

该测试系统的地上和地下水平管道全部做了保温，选择了精度尽可能高的传感器，变送器，及数字式电能表，并有较高的控制精度；由于选择了过渡春季进行实验，电加热器制热率Q与散热率Q_dissi比较接近，但该系统没有来得及增加所述第三，第四温度传感器，近地面层内冬季冷滞留的影响并没有完全消除掉，还有一些热扰量未能除外；测试结果表明：水在U形管中向岩土散热率Q_dissi.eff，W，略大于电加热器制热率Q，W；随着U形管中水温的升高，Q_dissi.eff，W，有增大趋势；按照本专利要求进一步改进后，会有更好一些的效果；

图5，为远程传输系统的结构图，所述的传感器；不少于9路，其中：温度传感器不少于4路，流量传感器1路，压力传感器3路，数字式电能表1路；通过主计算机，及GPRS模块，GPRS服务器，无线传输至GPRS模块到达终端电脑；

具体实施方式：

由于被实验的U形地埋管属于实验系统中的地下部分，在钻孔前，务必作好准备，包括：量好尺寸，根据气象条件等因素，确定水平管道的埋深；确定各传感器的位置；确定有效管长L_eff(米)；准备好保温材料，并对即将埋入的U形地埋管，从所述第一温度传感器T₁至第三温度传感器T₃，第二温度传感器T₂至第四温度传感器T₄之间的水平管道，一直到经过向下的弯头，向U形地埋管的垂直方向1～2米距离内，全部做好保温。

对于将要使用的高精度温度传感器和其他传感器，要事先到权威部门进行包括变送器在内的标定，标定点要求不少于五个，并有标定证书；然后在下管前，安装好传感器。

实验系统的地上部分：全部传感器和变送器要在标定证书的有效期限内使用，否则需要重新标定；检查水系统的保温，仪器外壳的保温；排气阀门，过滤器，及电器安全；与生产厂联系水泵在水中的散热量；并在空栽(不加电热)运行时，核对水泵的散热情况；检查远程传输系统的运行部件；检查稳压电源是否正常，确保实验过程不会因为电压变化太大跳闸而中断实验；一旦实验中断，再恢复试验，相当于一个新的热脉冲叠加，数据不能再直接使用，要进行很复杂的修正运算。

水泵散入水循环系统中的散热率Q_pump，由生产厂家提供：根据水泵类型和规格，水泵电机冷却方式(风冷或水冷)，连接方式(是否直联)，运行工况下水泵的效率，所输送的水温等，可以给出数据；或由空载实验确定，在不进行电加热条件下空载运行2～3小时，至供回水水温趋于一致后，平均水温随运行时间逐渐有所上升，由循环水量和单位时间内水的平均温升，计算出单位时间水泵向循环水系统的散热率。

实际计算电加热器的电制热率Q，W，应计入生产厂家提供的电～热的转化效率η，按照下式计算：

Q＝P_eη

式中：Q-电加热器的制热率，W；

P_e-输入的电功率，w；

η-电～热转化效率，由生产厂家提供。

Claims (10)

1.地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，含有至少四个温度传感器，三个压力传感器，电加热器及与之相连的数字电能表，水泵，流量传感器，膨胀水箱，U形地埋管，循环水管，以及主计算机；

其中：

在所述水泵经过循环水管向所述U形地埋管进水口供水的方向，在循环进水水管上，顺序装有：加热功率在2kw～16kw之间的所述电加热器及与之相连的数字电能表，所述第一压力传感器P₁，所述流量传感器，所述第二压力传感器P₂，以及所述第一温度传感器T₁；

在所述U形地埋管出水口经过循环出水水管向所述水泵回水的方向，在该循环出水水管上，顺序装有：所述膨胀水箱，所述第二温度传感器T₂，以及所述第三压力传感器P₃；

所述第三温度传感器T₃，装于所述U形地埋管垂直管段进水部分，用于测定该U形地埋管实际进水部分温度；

所述第四温度传感器T₄，装于所述U形地埋管垂直管段出水部分，用于测定该U形地埋管出水部分温度；

所述第三温度传感器T₃和第四温度传感器T₄，处于同一水平位置，都位于地下2米至地下变温层与恒温层的交界处的范围内，用于除外室外热扰动的影响；

所述数字电能表的输入端与所述电加热器的输出端相连，该数字电能表的数字输出端与主计算机的输入端相接，用于测定电加热器的制热功率；

所述主计算机，设有：三个压力信号输入端，分别与所述第一压力传感器P₁，所述第二压力传感器P₂，以及所述第三压力传感器P₃各自的压力信号的输出端相连；

该主计算机还设有：至少四个水温度信号输入端，其中：第一温度传感器T₁输入所述U形地埋管进水温度，第二温度传感器T₂输入所述U形地埋管回水温度，第三温度传感器T₃输入所述U形地埋管垂直管段内进水部分的水温，第四温度传感器T₄输入所述U形地埋管垂直管段内出水部分的水温；

该主计算机还设有：岩土综合导热系数计算模块，依次按照以下步骤，计算岩土有效导热系数：

步骤(1)，测定所述电加热器的恒定电制热率Q，以及所述水泵向循环水系统的散热率Q_pump，其散热率Q_pump是给定的，并输入主计算机，Q＝数字电能表输出的数字功率×(5～10分钟)，单位是w；

步骤(2)，每间隔所述5～10分钟，在50小时内，逐一测定所述四个温度传感器的温度测定值，T_1i，T_2i，T_3i，T_4i，，其中下标i为测定时刻的序号，i＝1，2，.....，n；n＝600～300，并按照以下公式，计算平均有效加热率的修正值：

$\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{Q}_i$

ΔQ_i＝ρC f_i{(T_3i-T_1i)+(T_2i-T_4i)}，

式中：

ρ-水的密度kg/m³；

f_i-水的容积流量m³/s；

C-水的定压比热kJ/kg.K；

ΔQ_i-时刻i-1至时刻i的时间区间内的加热率修正值，W；

步骤(3)，按照下式，计算步骤(2)中平均有效加热率的修正值ΔQ_ave：

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{Q}_i+Q_{\mathrm{pump}}$

式中：

Q_pump-水泵向循环水系统的散热率，W；

步骤(4)，按照下式，计算恒定的有效加热率Q_eff：

Q_eff＝Q+ΔQ_ave：，W；

式中：

Q-----与电加热器相连的数字电能表测得的电制热率，W；

步骤(5)，按照简化了的线热源理论导出的以下近似公式，计算岩土有效热系数K_eff：

$K_{\mathrm{eff}}=\frac{Q_{\mathrm{eff}}}{4\mathrm{\πslope}{L}_{\mathrm{eff}}}$

式中：

L_eff-由所述第三温度传感器(T₃)和第四温度传感器(T₄)的水平位置，至所述U形地埋管管底的有效钻孔深度，单位：m；

Q_eff——恒定的有效制热率，单位：W；

slope——斜率，由供回水的平均温℃与时间坐标的自然对数Ln t形成的曲线的斜率，时间的单位是小时；

K_eff——岩土有效导热系数现场测定值；单位：W/m.K。

2.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于：

$Q_{\mathrm{eff}}=Q+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{ave}}\≈\mathrm{\ρC}\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(T_{3i}-T_{4i})$

式中：右侧 $\mathrm{\ρC}\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(T_{3i}-T_{4i})$

为所述U形地埋管向岩土层的有效散热率Q_disssi.eff，W。

3.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，所述压力传感器，温度传感器，流量传感器，以及数字电能表的输出，都是无线式的。

4.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，所述U形地埋管是单U型管，双U型管，或W型管中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，所述电加热器，是半导体陶瓷合成物或其他材料组成的即热式，或电阻式中的任何一种。

6.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，所述第三温度传感器T₃，第温度传感器T₄，其埋深应在地平面下2～20米范围内。

7.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，从所述第一温度传感器T₁至第三温度传感器T₃，第二温度传感器T₂至第四温度传感器T₄之间的水平管道，经过向下的弯头，向U形地埋管的垂直方向1～2米距离内，必须是保温的；系统内的循环水管及机组外壳也是保温的。

8.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，对于各传感器经过变送的输出值精度，均应满足：温度T---±0.1℃，流量f----±0.5％，的要求。

9.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，对于所述的电制热率Q的控制精度---±0.5％。

10.根据权利要求1所述的地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统，其特征在于，对于所述的电制热率Q的控制精度为：标准误差不大于±1.5％，最大瞬时误差不大于±10％，所使用电能表的仪表精度为--±0.5％。

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