CN102243192A - 地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置 - Google Patents

Abstract

地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置，包括制冷循环回路系统和水路循环回路系统，其特征在于水路循环回路系统的电加热器内置的温度控制器与比例三通调节阀流量控制器共同连接到PID控制器31；比例三通调节阀直接出口处的第一温度变送器与地埋管入口处的流量计共同接至PID控制器32，侧接出口通过管件直接连接至第二球阀25的进口处；地埋管进口处的第二温度变送器23、地埋管出口处的第三温度变送器24与地埋管入口处的流量计22共同连接至数据采集仪33的输入端；本发明借助两系统的阀门切换完成不同工况的测试，可以在设定恒定加热量的状态下，利用进出口的水温平均值的变化趋势计算出岩土体的综合热物性，在任何季节按照工程需求设定工况温度和水流量，获得地埋管的取放热特性。

Description

地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置

技术领域

本发明涉及一种地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置，属于建筑节能与制冷工程领域。

背景技术

近年来，随着我国节能环保政策的推进，地埋管地源热泵技术受到了暖通空调行业的关注，地埋管地源热泵系统是以储藏在土壤中的可再生的地热能为冷、热源的地源热泵系统其能够为建筑采暖、空调及生活热水提供热量，具有节能、无污染、应用范围广和系统维护费用低等优点，在全球范围内得以广泛利用。地源热泵的核心技术是地埋管换热器的设计与施工，地源热泵成功的关键在于取得可靠的当地土壤特性，包括地下土壤稳定状态下的取热特性、放热特性、不同深度的单位井深土壤换热量以及土壤的热物性。其中，地埋管换热器施工地点的地质结构不同浅层土壤热特性会很大的变化，因此，有必要在新的建筑工地上进行地埋管换热器的实地测试试验研究，测试当地土壤准确的取放热特性及岩土的热物性，为地源热泵的优化设计和可靠运行提供保证。无论是对于实际的工程应用还是对于地埋管换热器的深入研究都有着重要的意义。

在现有的关于地源热泵土壤热物性的测试技术中，申请号为200710188219.9，名称为浅层地温能热、冷响应测试设备以及测试车的发明专利公开一种由用于输送流体的循环管路、设置在循环管路上的用于对流体介质加热或者降温的空气源热泵、用于输送流体介质的泵和设置在循环管路上的温度传感器和流量传感器及相应的控制系统组成的测试设备，可以按照要求建立工况设定温度，无论是冬季工况还是夏季工况，测定地埋管换热能力，整个装置结构设计合理紧凑，简便易操作。但存在以下问题：使用变频的空气源热泵导致所需冷源较小时，空气源热泵系统会出现过载保护现象；同时该发明只能通过控制冬季及夏季工况下的所需的冷热源工况进行温度的设定，测试出地埋管的换热能力，而不能够完成恒热流工况的测试，进而无法获得岩土体的热物性参数，如岩土体的导热系数、热扩散系数及比热容，因而该发明装置的测试功能较为单一。如果能发明一装置即可以按照要求建立工况设定温度，不出现空气源热泵系统过载保护现象，完成地埋管取放热特性的测试；又可以建立恒定的加热热流工况，获取岩土体的热物性，则会给地源热泵用岩土体热物性测试工作带来极大的方便与改进。因此，需要设计出一套既能够完成地埋管换热器的冬、夏季工况下的取放热特性测试，又能完成岩土热物性测试的综合测试装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置，不仅能够完成地埋管换热器的冬、夏季工况下的取放热特性测试，获得地埋管的单位延米换热量，也可以完成岩土热物性测试，获取岩土体的热物性参数，包括岩土体的导热系数、热扩散系数及比热容。为地源热泵系统方案设计中地埋管的设计提供了有利的依据。

本发明是通过以下的技术方案来实现的：一种地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置，包括：风冷热泵系统与电加热水循环系统。风冷热泵系统回路依次包括冷凝风机、冷凝器、冷凝压力调节阀、第一压力表、储液器、干燥过滤器、电磁阀、膨胀阀、蒸发器、第二压力表、制冷压缩机，回路中的循环介质为制冷剂R22，通过回路制备冷冻水储存在水箱中。在冷凝器输出端连接冷凝压力调节阀，第一压力表并联在冷凝器的两端；干燥过滤器与蒸发器之间设置电磁阀、膨胀阀，制冷剂通过干燥过滤器进行干燥后通过膨胀阀变成低温的液态制冷剂，然后到置于水箱中的冷凝盘管与水箱中的水进行换热，获取冷水；制冷压缩机的两端并联压力控制器用于保护压缩机，压缩机顶部连接热保护装置用以保护压缩机。蒸发器与制冷压缩机之间安装第二压力表，用于保证蒸发器的制冷剂的压力在一定的范围内，进而达到保证装置的作用。

电加热系统水系统回路依次包括：水箱、第一球阀、流量保护装置、水泵、电加热器、电加热器高温保护装置、比例三通调节阀、第一温度变送器、流量计、第二温度变送器、第三温度变送器、第二球阀。其中，用于切换系统的第三球阀与水箱并联连接；第四球阀与膨胀水箱连接后接与流量保护装置的进口段；排水阀接在水箱底部的管路上，试验结束后打开排水阀排出机箱内水箱与水管中的水；低温保护装置接在水箱上防止出现制冷循环中水箱中水温过低现象；电加热器的内置的温度控制器与比例三通调节阀流量控制器共同连接到PID控制器，用于采集电加热功率及循环水流量；比例三通调节阀出口的第一温度变送器与地埋管入口处的流量计共同接至PID控制器，用于在试验开始或进行中观察水温及流量的变化情况并可以进行调节；地埋管进口处的第二温度变送器、地埋管出口处的第三温度变送器与地埋管入口处的流量计共同连接至数据采集仪的输入端，用于采集地埋管进出口水温；电加热器的内置的电功率控制器输入端连接至电功率计，通过电功率计可以设定所需工况下的恒定的加热功率。

在本装置的系统中，安装于地埋管进口的比例三通调节阀对本装置的冬季工况的测试有着重要的意义。冬季工况下，风冷热泵系统的蒸发器吸收水箱中水的热量以达到制备冷水的目的，然而在实际的测试过程中，由于测试孔地埋管流量及流速的限制，实际需要的制冷量通常较小，如果所需制冷量太小，会影响风冷热泵系统中压缩机的正常运行，所以本装置中通过使用比例三通调节阀来避免这种现象的产生。主要过程为比例三通调节阀在保证流入地埋管换热器的流量达到要求时，再将多余的流量通过三通调节阀的回到水箱，这样就保证了不会因为制冷量过小导致系统无法正常运行。

本发明装置测试的数据有地埋管进出口水温、循环水流量及定加热功率，热物性计算采用无限长线热源法。本发明装置不仅可以在设定恒定加热量的状态下，利用进出口的水温平均值的变化趋势计算出岩土体的综合热物性，还可以在任何季节按照工程需求设定工况温度和水流量，获得地埋管单位延米的换热量。本发明集浅层地温能冬、夏季工况及恒热流工况热物性测试试验为一体，测试功能齐全，易移动，使用范围广，操作简单，能为地埋管设计提供精确的设计参数。

附图说明

图1为测试装置的原理图；

图1主要的附图标记说明如下：1冷凝风机，2冷凝器，3冷凝压力调节阀，4第一压力，5储液器，6干燥过滤，7电磁阀，8膨胀阀，9蒸发器盘管，10第二压力表，11制冷压缩机，12过热保护器，13压力控制器，14水箱，15第一球阀，16流量保护装置，17水泵，18电加热器，19高温保护装置，20比例三通调节阀，21第一温度变送器，22流量计，23第二温度变送器，24第三温度变送器，25第二球阀，26第三球阀，27第四球阀，28膨胀水箱，29排水阀，30低温保护装置，31PID控制器，32PID控制器，33数据采集仪，34电功率计。

图2为测试仪的结构示意图，其中：

图2(1)为测试装置的左侧面图；

图2(2)为测试装置的后侧面图；

图2(3)分别右侧面图；

图2(4)为测试装置的俯视图。

具体实施方式

以下将结合附图1对本发明装置的具体实施做进一步的描述：

图1为测试装置的系统原理图，如图1所示，一种地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置包括：包括风冷热泵系统与电加热水循环系统。风冷热泵系统包括冷凝风机1、冷凝器2、冷凝压力调节阀3、第一压力表4、储液器5、干燥过滤器6、电磁阀7、膨胀阀8、蒸发器盘管9、第二压力表10、制冷压缩机11，与压缩机11配套的装置有过热保护装置12及接在压缩机进出口的压力控制器13。其中，冷凝器2、储液器5、干燥过滤器6、蒸发器盘管9、制冷压缩机11、冷凝器2依次串联形成回路，在冷凝器输出端连接冷凝压力调节阀3，第一压力表4并联在冷凝器2的两端，干燥过滤器6与蒸发器盘管9之间设置电磁阀7、膨胀阀8；制冷压缩机11的两端并联压力控制器13，压缩机11顶部连接热保护装置12用以保护压缩机。内置蒸发器盘管9的水箱14与制冷压缩机11之间安装第二压力表10。该系统连接管路内的介质是制冷剂R22，主要原理为：低温低压的液态制冷剂通过制冷压缩机11压缩后变成高温高压的气态，然后输送到冷凝器2的冷凝盘管与空气进行换热，变成高压低温的液体到达储液器5，然后经过干燥过滤器6进行干燥，通过电磁阀7与膨胀阀8变成低温低压的液体，再输送到安装有蒸发器盘管9的水箱14，通过盘管与水箱中的水进行换热，变成高温的液态制冷剂，同时水箱内的水温降低，然后再被吸入到制冷压缩机11，完成一次循环，制备所需工况下的冷水，用于测试地埋管冬季工况下的取热特性。

电加热水循环系统包括：内置蒸发器盘管9的水箱14、第一球阀15、流量保护装置16、水泵17、电加热器18、电加热器高温保护装置19、比例三通调节阀20、第一温度变送器21、流量计22、第二温度变送器23、第三温度变送器24、第二球阀25，其中，用于切换系统的第三球阀26与水箱14并联；第四球阀27与膨胀水箱28连接后接到流量保护装置16的进口端；排水阀29接在水箱14底部的管路上，当试验完成后可以通过打开排水阀29排出水箱及水管中的水；低温保护装置30接在水箱14上；电加热器18内置的温度控制器与比例三通调节阀20的流量控制器共同连接到PID控制器31，便于在测试开始时及测试过程中对即时数据变化进行观察和调节；比例三通调节阀20出口连接的第一温度变送器21与地埋管入口处的流量计22共同接至PID控制器32，用于防止当冷负荷过小时压缩机出现过载现象；地埋管进口处的第二温度变送器23、地埋管出口处的第三温度变送器24与地埋管入口处的流量计22共同连接至数据采集仪33的输入端，以便数据采集器每间隔一定的时间内记录下地埋管进、出口水温；电加热器18的内置的电功率控制器输入端连接至电功率计34通过电功率计可以设定所需的工况的恒定的加热功率，用以在恒定热流工况下，获得地埋管进出口平均水温的变化趋势，进而得出岩土体的热物性。在夏季工况下，是通过PID控制器32对地埋管的入口水温进行设定，保证地埋管的进口水温保持不变，不需要开始电功率计34进行设定加热功率，通过回水温度的变化，获取夏季工况下地埋管的放热特性。该系统管路中的介质是水，工作过程为：水箱14中的水通过第一球阀15输送到水泵17加压，然后通过电加热器18、比例三通调节阀20、第一温度变送器21、地埋管入口处的流量计22及入口处第二温度变送器23输入地埋管中，与岩土体换热后通过第三温度变送器24回到水箱14，完成一次循环。

在装置启动之前，将埋于测试孔并已经通过冲水试压地埋管的两端与测试装置的地埋管进出口段连接好，形成一个闭合回路。开启电源总开关，开启第一球阀15及第二球阀25，通过补水阀29充水，直到水箱14的溢水管有水流出，停止充水。接着开启水泵17，进行排气，之后设定流量，开启数据采集仪33。

如进行冬季工况测试，开启制冷系统按钮，设定所需冷源温度，制冷系统开始工作；第二温度变送器23、第三温度变送器24及电磁流量计22通过传输线将地埋管进出口水温及流量传送到数据采集仪33，数据采集仪33每隔一段时间记录并保存一次数据。

如进行夏季工况测试，开启加热器18，设定所需热源温度，加热器18开始工作直到水温升高到设定温度，同时，第二温度变送器23、第三温度变送器24及电磁流量计22通过传输线将地埋管进出口水温及流量传送到数据采集仪33，数据采集仪每隔一段时间记录并保存一次数据。如进行恒热流测试，则关闭第一球阀15及第二球阀25，开启第三球阀26及第四球阀27，开启电加热器18，接着开启电功率计34并设定所需的加热功率(0-12kW范围可以任意设定)；同时，第二温度变送器23、第三温度变送器24及电磁流量计22通过传输线将地埋管进出口水温及流量传送到数据采集仪33，数据采集仪每隔一段时间记录并保存一次数据。

模型计算过程如下：

通过埋设的地埋管换热器从地下土壤层吸收热量，再输送到各个房间。测量地埋管冬天的传热功能，就是根据热泵运行所对应的蒸发温度，制成一定温度的冷水，通过循环泵驱动冷水在埋设的PE管中以一定的速度流动，冷水在PE管中的流动过程中，从土壤里吸取热量，温度升高。地埋管的取热试验就是根据循环水在PE地埋管中流动过程中从土壤中吸取的热量，来确定地埋管在取热过程中的传热能力。与散热试验类似，取热试验可以用地埋管的进水温度和被用作试验参数，通过改变地埋管的进水温度和循环水的流量，来确定地埋管的传热性能。

冬、夏季工况计算方法简介：

在测试仪获得水流量、流出地下埋管的水温和流进地下埋管的水温后，按照下面公式计算被测孔内地埋管的换热量：

Q₁＝ρvc_p(t_out-t_in)                        (1)

式中：Q₁是换热量(kW)；v是水流量(m³/s)，由流量传感器31测得；t_out是流出地下埋管的水温(℃)，由测温传感器34测得；t_in是流进地下埋管的水温(℃)，由测温传感器33测得；ρ是水的密度(kg/m³)；c_p是水的比热(kJ/kg·K)，取值4.1868。

单位孔深的换热量为：

$q=\frac{Q_1}{H}---\left(2\right)$

其中，q为单位孔深的换热量(W/m)，H为孔的深度(m)。

无限长线热源模型简介：

根据无限长线热源模型，可得τ时刻距离线热源任意距离r处温度分布为：

$t(r,\mathrm{\τ})=t_{\∞}+\frac{q_l}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s}{E}_i\left(\frac{r^2{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}{4{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\τ}}\right)---\left(3\right)$

式中指数积分函数为：

为指数积分函数；

r——圆柱坐标系中的径向坐标，(m)；

q_l——线热源单位长度所释放的热量，(W/m)

λ_s——岩土的导热系数，(W/m·K)；

ρ_s——岩土密度，(kg/m³)；

c_s——岩土比热，(kJ/(kg·m³))；

t_∞——为时刻τ＝0时周围岩土的初始温度，(℃)。

取d_b为钻孔直径，可知当r＝d_b/2时，管壁的温度t_b为：

$t_b=t_0+\frac{q_l}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s}\·E_i\left(\frac{d_b^2{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}{16{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\τ}}\right)---\left(4\right)$

取t_f为地埋管换热器内循环流体平均温度，t_b为钻孔壁处的温度，R_b为钻孔内传热热阻，则三者之间的关系为：

q_l＝(t_f-t_b)/R_b                            (5)

由式(5)结合式(4)可得管内流体平均温度t_f与深层岩土的初始温度t_∞(并且假设的无穷远处的岩土温度也为t_∞)之间的关系为：

$t_f=t_{\∞}+q_l[R_b+\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_S}\·E_i\left(\frac{d_b^2{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}{16{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\τ}}\right)]---\left(6\right)$

(5)、(6)式中的钻孔内传热热阻根据《规范》可知R_b的计算如下：

$R_b=\frac{1}{2}\left\{\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_b}\right[\ln \left(\frac{d_b}{d_0}\right)+\ln \left(\frac{d_b}{D}\right)+\frac{{\mathrm{\λ}}_b-{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_b+{\mathrm{\λ}}_s}\·\ln \left(\frac{d_b^4}{d_b^4-D^4}\right)]+\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_P}\ln \left(\frac{d_o}{d_i}\right)+\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_{i}h}\}---\left(7\right)$

式中d_i——埋管内径，(m)；

d₀——埋管外径，(m)；

d_b——钻孔直径，(m)；

D——埋管中心距，(m)；

λ_b——钻孔回填材料的导热系数，(W/(m·K))；

λ_p——埋管管壁导热系数，(W/(m·K))；

λ_s——埋管周围岩土的导热系数，(W/(m·K))；

h——循环水与管壁之间的表面传热系数，(W/(m²·K))。

其中(7)式中流体介质与U型管内的对流换热系数h根据下式计算确定：

$h=(1384+25t_f-0.052t_f^2)\frac{v_f}{d_i^{0.2}}---\left(8\right)$

式中，v_f——U型管内平均流速(m²/s)

式中指数积分函数为：

根据《规范》可知，当时间足够长时，一般当试验时间达到10小时以上时，

γ是欧拉常数，γ≈0.577216。在实际的热响应试验中通常试验时间长达48小时，于是利用近似计算便得到如下公式：

$t_f=\frac{q_l}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s}\ln \left(\mathrm{\τ}\right)+t_{\∞}+q_l{R}_b+\frac{q_l}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s}\ln \left(\frac{16{\mathrm{\λ}}_s}{d_b^2{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}\right)-\frac{q_l}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s}\×0.577216---\left(9\right)$

即时间取对数以后，平均水温t_f与时间对数x呈直线变化关系：

t_f＝kln(τ)+b＝kx+b                (10)

由上式可知，只要求出直线斜率k和截距b，就可以求得岩土导热系数λ_s和热扩散率a。

导热系数： ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{q_l}{4\mathrm{\πk}}$

热扩散率： $a=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_s{c}_s}=\exp (\frac{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{s}b}{q_l}-\frac{4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s{t}_{\∞}}{q_l}-4\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_s{R}_b+\mathrm{\γ})\×d_b^2/16$

冬季工况下，开启本发明装置的第一球阀15和第二球阀25；关闭第三球阀26和电加热器18，此时制冷系统工作，制备所需工况温度下的冷源，设定循环水流量，循环水进入地埋管进行吸热，根据进出口温差及流量，计算出换热量；夏季工况下，关闭第一球阀15和第二球阀25，制冷系统不工作；开启第三球阀26及电加热器18加热装置，制备所需工况温度下的热源，设定循环水流量，循环水进入地埋管进行放热，根据进出口温差及流量，计算出换热量；恒热流工况下，关闭制冷系统，开启第三球阀26、电加热器18加热装置及电功率计34，通过电功率计设定恒定加热功率，设定循环水流量，循环水进入地埋管进行换热，根据地埋管进出口水温的平均温度值随时间的变化趋势，计算出土壤的平均导热系数、热扩散系数及比热容。不仅能够完成地埋管换热器的冬、夏季工况下的取放热特性测试，获得地埋管的单位延米换热量，也可以完成岩土热物性测试，获取岩土体的热物性参数。

Claims (3)

1.地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置,包括：制冷循环回路系统和水路循环回路系统，制冷循环回路系统包括依次连接的冷凝风机(1)、冷凝器（2）、储液器(5)、干燥过滤器(6)、蒸发器盘管(9)、制冷压缩机(11),其特征在于水路循环回路系统依次包括：水箱(14)、第一球阀（15）、水泵（17）、电加热器（18）、比例三通调节阀（20）、第一温度变送器（21）、第二温度变送器（23）、第三温度变送器（24）、第二球阀（25）；其中，水箱（14）、第一球阀（15）、水泵（17）、电加热器（18）依次连接，第三球阀(26)与水箱(14)并联连接，第四球阀（27）与膨胀水箱（28）连接后接在电加热器（18）之前；电加热器（18）内置的温度控制器与比例三通调节阀（20）流量控制器共同连接到PID控制器（31）；比例三通调节阀（20）直接出口处的第一温度变送器（21）与地埋管入口处的流量计（22）共同接至PID控制器（32），侧接出口通过管件直接连接至第二球阀（25）的进口处；地埋管进口处的第二温度变送器（23）、地埋管出口处的第三温度变送器（24）与地埋管入口处的流量计22共同连接至数据采集仪（33）的输入端。

2.根据权利要求1所述的地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置,其特征在于冷凝器两端连接第一压力表（4），输出端连接冷凝压力调节阀（3）；干燥过滤器（6）与蒸发器盘管（9）之间设置电磁阀（7）、膨胀阀（8）；制冷压缩机（11）两端并联压力控制器（13），制冷压缩机（11）顶部连接热保护装置（12）；蒸发器盘管（9）与制冷压缩机（11）之间安装第二压力表（10）。

3.根据权利要求1所述的地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置,其特征在于接在水箱底部的管路上安装排水阀（29）；水箱（14）上安装低温保护装置（30），电加热器（18）的内置的电功率控制器输入端连接至电功率计（34）。

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