CN102411012A - 基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法。它解决了现有技术中依靠初始温度、导热系数、热阻不能全面反映埋管换热器的换热特性等技术问题。本系统包括测试仪、电源、主管以及第一支管和第二支管，在主管上接有加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置，加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置均与测试仪相连接，测试仪包括中央处理模块，参数输入模块和显示模块；本方法包括下述步骤：A、输入各种参数；B、生成优化测试方案并进行调试；C、分析岩土热物性测试评价报告；D、生成岩土热物性测试评价分析报告。本发明具有：1、为设计提供更详尽可靠的依据；2、自动化程度高，操作简便；3、安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于岩土热物性测试系统，尤其是涉及一种基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法。
背景技术
地埋管换热器是地源热泵系统的设计重点。设计偏小会导致系统运行效率降低，达不到制冷制热要求，增加运行费用；而设计偏大则将造成系统初投资增加，影响系统经济性。地源热泵系统地下换热器设计的合理与否很大程度取决于地下岩土热物性参数的准确性。因此在进行地源热泵系统地埋管换热器设计前，必须对项目拟埋管区域进行岩土热响应测试，得到可靠的岩土热物性参数。但是，由于地埋管换热器的换热过程涉及的物理模型很复杂，涉及的因素很多。它是非稳态的，涉及的时间跨度很长，空间区域很大，条件也很复杂，包括水平及竖直埋管与土壤在短期和长期工况下的换热规律、多组管道之间的相互影响、土壤冻融的影响、地下水渗流的影响等，换热器形式多种多样，地层结构及其热物性千差万别，换热器的负荷随时间变化等等。仅仅依靠初始温度、导热系数、热阻和比热容不能全面反映埋管换热器的换热特性。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。
例如，中国专利文献公开了一种同步冷热响应岩土热物性测试仪[申请号：CN201010202994.7]，包括水-水热泵机组的冷响应侧由冷响应侧供水管、冷响应侧流量计、冷响应侧供水温度传感器、冷响应侧U形管、冷响应侧回水管、冷响应侧回水温度传感器和冷响应侧循环泵构成回路；水-水热泵机组的热响应侧由热响应侧供水管、散热器调节阀、翅片散热器、加热器调节阀、电加热器、热响应侧流量计、热响应侧供水温度传感器、热响应侧U形管、热响应侧回水管、热响应侧回水温度传感器和热响应侧循环泵构成回路。该方案是为了解决岩土热物性测量采用空气源热泵式测量仪对夏季排热工况和冬季吸热工况测试时，一次只能测试一种工况，测试结果不准的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种能智能优化测试方案，全面评价地源热泵系统岩土热物性，广泛适用于各类地源热泵系统的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统。
本发明的另一目的是提供一种易于实施，能够全面评价地源热泵系统岩土热物性，广泛适用于各类地源热泵系统的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，本系统包括测试仪、相邻设置的两组地埋管回路和用于提供各部分工作所需电能的电源，每组地埋管回路分别包括主管和并联设置的第一支管和第二支管，在主管上串接有加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置，所述的第一支管的进水端和出水端分别设有进水开关和出水开关，所述的第二支管的进水端和出水端分别设有进水开关和出水开关，所述的加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置均与测试仪相连接，所述的测试仪包括中央处理模块，在中央处理模块上连接有能够输入包括建筑类型因素、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数的参数输入模块和显示模块。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统中，所述的测试仪上还连接有当发生异常情况时能够发出报警信号的信号发生器和切断电源的应急断电模块。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统中，所述的信号发生器通过无线通讯方式与手持式信号接收器相连接。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统中，所述的主管上连接有膨胀水箱，所述的主管两端分别设有一个温度测量装置。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统中，所述的第一支管和第二支管均呈U形。
基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，本方法包括下述步骤：
A、通过参数输入模块向测试仪输入包括建筑类型、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数；
B、由测试仪根据上述参数生成优化测试方案，并根据优化测试方案对相邻设置的两组地埋管回路进行设备连接和调试，所述的地埋管回路分别包括主管和并联设置的第一支管和第二支管，在主管上串接有加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置，所述的第一支管的进水端和出水端分别设有进水开关和出水开关，所述的第二支管的进水端和出水端分别设有进水开关和出水开关，所述的加热器、循环水泵、温度测量装置和流量测量装置均与测试仪相连接；
C、通过测试仪进行标准工况测试和多因素影响分析试验，从而生成基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价报告；
上述的标准工况测试包括：岩土初始温度测试和岩土体热物性测试；上述的多因素影响分析试验包括变负荷试验、热干扰影响试验、动态负荷试验、单双管影响性试验和变流速试验；
D、测试仪根据上述标准工况测试和多因素影响分析试验的数据生成岩土热物性测试评价分析报告。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法中，所述的岩土初始温度测试采用无功循环法测得，即在不向地埋管回路加载的情况下，使水在地埋管回路内循环，待温度达到稳定时，循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法中，所述的岩土体热物性测试采用恒热流法测得，即通过加热器提供一个稳定的加热功率，记录地埋管回路进出口温度随时间的变化，然后根据上述数据计算当地岩土体的平均导热系数、比热容以及热阻。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法中，所述的变负荷试验包括换热量为65-80w/m的大负荷试验、换热量为30～60W/m的正常负荷试验和换热量不大于20w/m的小负荷试验；所述的热干扰影响试验包括单地埋管回路试验和双地埋管回路试验；所述的动态负荷试验包括加热时间不大于3小时的短时运行试验、加热时间为45-50小时的连续运行试验、在连续运行试验后恢复至初始温度的恢复特性试验、以及间隙运行试验；所述的单双管影响性试验包括在一组地埋管回路中仅接通第一支管或第二支管进行试验和同时接通第一支管和第二支管进行试验；所述的变流速试验包括流速为2.5-3.5m/s的大流速试验、流速为1-2m/s的正常流量试验和流速不大于0.5m/s的小流速试验。
在上述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法中，当发生异常情况时能够实现远程报警并切断电源供应，所述的异常情况包括缺水、断电、漏水、漏电和设备故障。
与现有的技术相比，本基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法的优点在于：1、能够针对不同建筑类型采取不同的测试方案，对于重要影响因素进行对比试验，为设计提供更详尽可靠的依据。2、自动化程度高，操作简便，大大提高了测试效率。3、当发生异常情况时能够实现远程报警并切断电源供应，安全可靠。
附图说明
图1是本发明提供的结构示意图。
图2是本发明提供的工作流程图。
图中，测试仪1、手持式信号接收器10、中央处理模块11、参数输入模块12、显示模块13、信号发生器14、应急断电模块15、地埋管回路2、膨胀水箱20、主管21、第一支管22、第二支管23、电源3、加热器4、循环水泵5、温度测量装置6、流量测量装置7、进水开关8、出水开关9。
具体实施方式
如图1所示，本基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统包括测试仪1、相邻设置的两组地埋管回路2和用于提供各部分工作所需电能的电源3。每组地埋管回路2分别包括主管21和并联设置的第一支管22和第二支管23，在主管21上串接有加热器4、循环水泵5、温度测量装置6和流量测量装置7。第一支管22的进水端和出水端分别设有进水开关8和出水开关9，第二支管23的进水端和出水端分别设有进水开关8和出水开关9。本实施例中，第一支管22和第二支管23均呈U形，且竖直设置。主管21上连接有膨胀水箱20，且主管20两端分别设有一个温度测量装置6。加热器4、循环水泵5、温度测量装置6和流量测量装置7均与测试仪1相连接，更具体地说加热器4、循环水泵5、温度测量装置6和流量测量装置7通过信号变送器与测试仪1相连接。加热器4的加热元件为电热管，功率范围为0～10kW。采用Pt1000铂电阻测量流体温度。循环水泵5驱动流体在回路中循环流动，流体经过加热器4加热后流经地埋管回路2与地下岩土进行换热，测得的进出口流体温度、流体流量、加热功率等经信号变送传至测试仪1。
测试仪1包括中央处理模块11，在中央处理模块11上连接有能够输入包括建筑类型因素、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数的参数输入模块12和显示模块13。测试仪1上还连接有当发生异常情况时能够发出报警信号的信号发生器14和切断电源的应急断电模块15。信号发生器14通过无线通讯方式与手持式信号接收器10相连接。待排查出故障原因后，重新制定测试方案并进行测试。
如图2所示，基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法包括下述步骤：
A、通过参数输入模块12向测试仪1输入包括建筑类型、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数。
B、由测试仪1根据上述参数生成优化测试方案，并根据优化测试方案对相邻设置的两组地埋管回路2进行设备连接和调试，所述的地埋管回路2分别包括主管21和并联设置的第一支管22和第二支管23，在主管21上串接有加热器4、循环水泵5、温度测量装置6和流量测量装置7，所述的第一支管22的进水端和出水端分别设有进水开关8和出水开关9，所述的第二支管23的进水端和出水端分别设有进水开关8和出水开关9，所述的加热器4、循环水泵5、温度测量装置6和流量测量装置7均与测试仪1相连接。这里的进水开关8和出水开关9均为电磁阀且与测试仪1相连接。
C、通过测试仪1进行标准工况测试和多因素影响分析试验，从而生成基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价报告。
上述的标准工况测试包括：岩土初始温度测试和岩土体热物性测试；上述的多因素影响分析试验包括变负荷试验、热干扰影响试验、动态负荷试验、单双管影响性试验和变流速试验。多因素影响分析实质上是模拟地埋管回路2的各种实际换热情况，分别改变循环液流速、埋管间距、负荷强度及运行工况等参数来分析进出水口的温度变化，从而得出相关规律，为设计提供更详尽的依据。、
D、测试仪1根据上述标准工况测试和多因素影响分析试验的数据生成岩土热物性测试评价分析报告。
岩土初始温度测试采用无功循环法测得，即在不向地埋管回路2加载的情况下，使水在地埋管回路2内循环，待温度达到稳定时，循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。在实际测试过程中，当地埋管回路2的进水温度和出水温度的温差持续1小时不大于0.1℃时，即可认为循环水温度达到稳定，该温度值即为岩土初始温度。
岩土体热物性测试采用恒热流法测得，即通过加热器4提供一个稳定的加热功率，记录地埋管回路2进出口温度随时间的变化，然后根据上述数据计算当地岩土体的平均导热系数、比热容以及热阻。以此作为主要设计依据，并按规范计算得到地埋管回路2的总长度。
变负荷试验包括换热量为65-80w/m的大负荷试验、换热量为30～60W/m的正常负荷试验和换热量不大于20w/m的小负荷试验；所述的热干扰影响试验包括单地埋管回路试验和双地埋管回路试验；所述的动态负荷试验包括加热时间不大于3小时的短时运行试验、加热时间为45-50小时的连续运行试验、在连续运行试验后恢复至初始温度的恢复特性试验、以及间隙运行试验；所述的单双管影响性试验包括在一组地埋管回路2中仅接通第一支管22或第二支管23进行试验和同时接通第一支管22和第二支管23进行试验；所述的变流速试验包括流速为2.5-3.5m/s的大流速试验、流速为1-2m/s的正常流量试验和流速不大于0.5m/s的小流速试验。
将整个系统的工作和操作过程详细阐述如下：
1、制定测试方案：根据要求输入建筑类型、气候条件、设计负荷、埋管场地面积等参数，测试仪1自动得出重要影响因素，如循环液流速、埋管间距、负荷强度及运行工况等。经测试人员确认后，仪器会自动生成优化后的测试方案。
2、设备连接及调试：首先进行地埋管回路2安装。包括打孔、下管、回填、打压试验、晾井等工作。然后进行设备连接，接通电源，将测量仪1与地埋管回路2相连，进行必要的保温，并向试验系统中注水、保压。
3、标准工况测试：
a、原始地温测试，即在将试验系统循环水中的空气排尽后启动循环水泵5，对地下土壤的原始温度进行测试，开启循环水泵5循环直到测试流体的进出水温度趋于恒定，这时可以认为该温度值即为地下换热器埋深范围内岩土层的原始平均温度。
b、导热系数、热阻和比热容测试，即开启加热器4，实时记录各项数据。在数据采集过程中，电源3应保持稳定，每隔3分钟进行一次数据采集，不间断采集数据，包括：进出口温度、流速、加热功率、地下温度等。
4、多因素影响分析试验：
根据输入的建筑类型、气候条件、设计负荷、埋管场地面积等参数确定重要影响因素。如，对于高层办公楼一般需进行动态负荷影响实验、热干扰影响实验、单双U对比实验及变流速实验。
a、变负荷试验：对竖直单U型埋管，单位孔深的换热量可按30～60W/m估算，地下换热状况好的(导热能力强、可利用温差大等)取高值。可见，其取值区间的跨度较大。因此，若要对比负荷大小对于进出水口温度的影响就必须进行变负荷试验，一般进行3种试验：大负荷试验，加热功率控制在设定的大功率值，如70w/m，进行大负荷试验。换热量为30～60W/m的正常负荷试验，实质上在上述标准工况测试中已进行，可不再重复测试。小负荷试验，加热功率控制在设定的小功率值，如20w/m，进行小负荷试验。
b、热干扰影响试验：在实际的地源热泵工程中，地下埋管换热器是由多个钻孔组成的，因此，对双换热孔进行试验和对比分析很有必要。单孔试验可在标准工况中进行，可以不再重复测试。双孔换热试验，主要是双孔的中长期运行的影响。进行双孔换热试验须待进出水温度恢复到原始温度后，一般加热时间大于72小时，记录期间的所有参数。
c、动态负荷试验：地源热泵在动态负荷作用下具有一定的动态特性。长时间运行将导致地埋管换热器性能逐渐下降，最终丧失换热能力；而当地源热泵停止工作一段时间，这时由于浅层土壤和室外空气进行热交换，以及较深层土壤和更深的土壤层之间的热传递仍在继续，地埋管换热器的换热性能将逐渐恢复。因此有必要进行各类动态负荷试验，以确定当地岩土的动态热物性，以便设计时能更全面地考虑。
短时运行试验，即待进出水温度恢复到原始温度后，自动进行短时运行试验，采用标准工况条件，加热装置加热3小时后，试验结束，记录所有参数。连续运行试验，即加热48小时(基准)，在标准工况中已进行，可不再重复测试。恢复特性试验，即加热48小时后恢复到原始温度，待连续运行试验结束后，自动进行恢复特性试验，待进出水温度恢复到原始温度后，试验结束，记录所有参数。间隙运行试验，即加热x小时间隔y小时循环z次，本实施例中，待进出水温度恢复到原始温度后，自动进行间隙运行试验，如可以进行如下工况条件的试验，加热装置加热2小时后，间隔2小时，循环六次后，试验结束，记录所有参数。
d、单双管影响性试验：地源热泵空调系统中的地埋管回路一般有两种形式，分别为单管和双管埋管。一个钻孔中可设置一组支管或两组支管。一般地，双管埋管比单管埋管的换热能力增大15％-30％，具体数值需进行对比试验得出。单管试验在标准工况中已进行，可不再重复测试。双管试验待恢复到原始温度后，切换进水开关8和出水开关9使得孔内的第一支管22和第二支管23并联，进行双管试验。
e、变流速试验：流速对于地源热泵地埋管的换热效果也有很大影响，必须进行变流速实验。大流速试验，流速控制在设定的大流速，如3m/s，进行大流速试验。正常流量试验(基准)，在标准工况中已进行，可不再重复测试。小流速试验，流速控制在设定的小流速，如0.3m/s，进行小流速试验。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了测试仪1、手持式信号接收器10、中央处理模块11、参数输入模块12、显示模块13、信号发生器14、应急断电模块15、地埋管回路2、膨胀水箱20、主管21、第一支管22、第二支管23、电源3、加热器4、循环水泵5、温度测量装置6、流量测量装置7、进水开关8、出水开关9等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，本系统包括测试仪(1)、相邻设置的两组地埋管回路(2)和用于提供各部分工作所需电能的电源(3)，每组地埋管回路(2)分别包括主管(21)和并联设置的第一支管(22)和第二支管(23)，在主管(21)上串接有加热器(4)、循环水泵(5)、温度测量装置(6)和流量测量装置(7)，所述的第一支管(22)的进水端和出水端分别设有进水开关(8)和出水开关(9)，所述的第二支管(23)的进水端和出水端分别设有进水开关(8)和出水开关(9)，所述的加热器(4)、循环水泵(5)、温度测量装置(6)和流量测量装置(7)均与测试仪(1)相连接，所述的测试仪(1)包括中央处理模块(11)，在中央处理模块(11)上连接有能够输入包括建筑类型因素、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数的参数输入模块(12)和显示模块(13)。
2.根据权利要求1所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，所述的测试仪(1)上还连接有当发生异常情况时能够发出报警信号的信号发生器(14)和切断电源的应急断电模块(15)。
3.根据权利要求2所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，所述的信号发生器(14)通过无线通讯方式与手持式信号接收器(10)相连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，所述的主管(21)上连接有膨胀水箱(20)，所述的主管(20)两端分别设有一个温度测量装置(6)。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统，其特征在于，所述的第一支管(22)和第二支管(23)均呈U形。
6.一种基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，本方法包括下述步骤：
A、通过参数输入模块(12)向测试仪(1)输入包括建筑类型、气候条件因素、设计负荷因素、埋管场地面积因素在内的各种参数；
B、由测试仪(1)根据上述参数生成优化测试方案，并根据优化测试方案对相邻设置的两组地埋管回路(2)进行设备连接和调试，所述的地埋管回路(2)分别包括主管(21)和并联设置的第一支管(22)和第二支管(23)，在主管(21)上串接有加热器(4)、循环水泵(5)、温度测量装置(6)和流量测量装置(7)，所述的第一支管(22)的进水端和出水端分别设有进水开关(8)和出水开关(9)，所述的第二支管(23)的进水端和出水端分别设有进水开关(8)和出水开关(9)，所述的加热器(4)、循环水泵(5)、温度测量装置(6)和流量测量装置(7)均与测试仪(1)相连接；
C、通过测试仪(1)进行标准工况测试和多因素影响分析试验，从而生成基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价报告；
上述的标准工况测试包括：岩土初始温度测试和岩土体热物性测试；上述的多因素影响分析试验包括变负荷试验、热干扰影响试验、动态负荷试验、单双管影响性试验和变流速试验；
D、测试仪(1)根据上述标准工况测试和多因素影响分析试验的数据生成岩土热物性测试评价分析报告。
7.根据权利要求6所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，所述的岩土初始温度测试采用无功循环法测得，即在不向地埋管回路(2)加载的情况下，使水在地埋管回路(2)内循环，待温度达到稳定时，循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。
8.根据权利要求6所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，所述的岩土体热物性测试采用恒热流法测得，即通过加热器(4)提供一个稳定的加热功率，记录地埋管回路(2)进出口温度随时间的变化，然后根据上述数据计算当地岩土体的平均导热系数、比热容以及热阻。
9.根据权利要求6或7或8所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，所述的变负荷试验包括换热量为65-80w/m的大负荷试验、换热量为30～60W/m的正常负荷试验和换热量不大于20w/m的小负荷试验；所述的热干扰影响试验包括单地埋管回路试验和双地埋管回路试验；所述的动态负荷试验包括加热时间不大于3小时的短时运行试验、加热时间为45-50小时的连续运行试验、在连续运行试验后恢复至初始温度的恢复特性试验、以及间隙运行试验；所述的单双管影响性试验包括在一组地埋管回路(2)中仅接通第一支管(22)或第二支管(23)进行试验和同时接通第一支管(22)和第二支管(23)进行试验；所述的变流速试验包括流速为2.5-3.5m/s的大流速试验、流速为1-2m/s的正常流量试验和流速不大于0.5m/s的小流速试验。
10.根据权利要求9所述的基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价方法，其特征在于，当发生异常情况时能够实现远程报警并切断电源供应，所述的异常情况包括缺水、断电、漏水、漏电和设备故障。
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