CN102628816A

CN102628816A - 地源热泵系统多功能实验平台

Info

Publication number: CN102628816A
Application number: CN2012101170710A
Authority: CN
Inventors: 徐坚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-08-08

Abstract

本发明属于地源热泵空调技术领域，涉及地源热泵岩土测试分析实验评价技术，尤其是涉及一种地源热泵系统多功能实验平台。它解决了现有技术设计不够合理等技术问题。本实验平台包括埋管换热子系统、管路连接子系统和实验控制子系统。与现有的技术相比，本地源热泵系统多功能实验平台的优点在于：1、设计合理，结构简单，操作使用方便，功能完善。2、自动化程度高，大大提高了测试效率，并且检测精度高。3、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。

Description

地源热泵系统多功能实验平台

技术领域

本发明属于地源热泵空调技术领域，涉及地源热泵岩土测试分析实验评价技术，尤其是涉及一种地源热泵系统多功能实验平台。

背景技术

地源热泵地下埋管换热器在土壤中的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，涉及众多参数，且各地区之间的地质状况存在很大的差异性。另外针对各种建筑类型的地源热泵设计参数取值也有很大的不同。现有的热物性测试仪都是设计、施工等相关单位自行研制的，存在测试原理不统一、测量精度较差以及测试报告不规范等问题，当前还没有形成针对岩土热物性测试仪器和测试方法的检测标准。因此非常有必要研发一个统一的可精确测量相关影响参数的实验平台进行测试分析，给出相关的推荐设计值，并利用该平台来检测各种岩土热物性测试仪的准确性。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案，但均未获得令人满意的效果。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结构简单，操作使用方便，功能完善，自动化程度高的地源热泵系统多功能实验平台。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，本实验平台包括埋管换热子系统、管路连接子系统和实验控制子系统，所述的埋管换热子系统包括若干U形管，在每根U形管上分别设有支管流量传感器和支管温度传感器，所述的管路连接子系统包括循环主管和连接在循环主管上的循环泵、主管流量传感器、主管温度传感器，在循环主管上设有并联设置的加热设备和制冷设备，各U形管并联在上述的循环主管两端之间，所述的实验控制子系统包括测试仪，所述的支管流量传感器、支管温度传感器、主管流量传感器和主管温度传感器均与测试仪相连。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，所述的循环主管的一端通过第一连接机构与各U形管的一端相连；所述的循环主管的另一端通过第二连接机构与各U形管的另一端相连；所述的第一连接机构和第二连接机构均与测试仪相连。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，所述的第一连接机构包括若干第一电磁阀，所述的第一电磁阀与U形管一一对应设置且相连；所述的第二连接机构包括若干第二电磁阀，所述的第二电磁阀与U形管一一对应设置且相连。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，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。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，所述的实验控制子系统还包括能够为实验控制子系统、管路连接子系统、第一连接机构和第二连接机构供电的电源模块。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，所述的循环主管上还连接有膨胀水箱。

在上述的地源热泵系统多功能实验平台中，所述的循环主管的每一端均设有一个主管流量传感器和一个主管温度传感器。

与现有的技术相比，本地源热泵系统多功能实验平台的优点在于：1、设计合理，结构简单，操作使用方便，功能完善。2、自动化程度高，大大提高了测试效率，并且检测精度高。3、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。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图。

图中，埋管换热子系统1、U形管11、支管流量传感器12、支管温度传感器13、管路连接子系统2、循环主管21、循环泵22、主管流量传感器23、主管温度传感器24、膨胀水箱25、加热设备26、制冷设备27、实验控制子系统3、测试仪31、中央处理模块311、参数输入模块312、显示模块313、第一连接机构4、第一电磁阀41、第二连接机构5、第二电磁阀51。

具体实施方式

如图1所示，本地源热泵系统多功能实验平台包括埋管换热子系统1、管路连接子系统2和实验控制子系统3。埋管换热子系统1包括若干U形管11，在每根U形管11上分别设有支管流量传感器12和支管温度传感器13，所述的管路连接子系统2包括循环主管21和连接在循环主管21上的循环泵22、主管流量传感器23、主管温度传感器24，在循环主管21上设有并联设置的加热设备26和制冷设备27，各U形管11并联在上述的循环主管21两端之间，所述的实验控制子系统3包括测试仪31，所述的支管流量传感器12、支管温度传感器13、主管流量传感器23和主管温度传感器24均与测试仪31相连。

循环主管21的一端通过第一连接机构4与各U形管11的一端相连；所述的循环主管21的另一端通过第二连接机构4与各U形管11的另一端相连；所述的第一连接机构4和第二连接机构5均与测试仪3相连。第一连接机构4包括若干第一电磁阀41，第一电磁阀41与U形管11一一对应设置且相连。第二连接机构5包括若干第二电磁阀51，第二电磁阀51与U形管11一一对应设置且相连。

测试仪31包括中央处理模块311，在中央处理模块311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312和显示模块313。实验控制子系统3还包括能够为实验控制子系统3、管路连接子系统2、第一连接机构4和第二连接机构5供电的电源模块32。循环主管21上还连接有膨胀水箱25。循环主管21的每一端均设有一个主管流量传感器23和一个主管温度传感器24。

本发明是专门为当地质量检测监管部门设计研发的，能够实现以下三大功能：

1、岩土热物性测试仪器检测标定

岩土热物性测试的主要目的是了解岩土体的基本物理参数，在此基础上，掌握岩土体的换热能力，为地源热泵系统设计人员结合建筑结构负荷特点等设计系统优化方案提供基础数据，以保障系统长期运行的高效与节能。

由于岩土热物性测试仪器属近几年出现的新仪器，国家还没有相关的规程和条文进行规范和标准化。根据当前地源热泵技术的快速发展，亟需制定统一的测试仪器数据标准技术规范，引导监测设备产业的良性发展，为实现测试数据共享、业务协同和信息沟通共享通道提供基础平台。

首先必须建立一个统一的测试平台，让所有测试仪器在相同条件下进行测试，并出具测试报告。只有测试数据精确且测试报告准确的测试仪才能给予合格证书。不合格的仪器给出相应的整改意见。

具有合格证书的测试仪器才能投入使用，并定期参加年检。从而保证每台测试仪器测得的数据具有较高的准确性和可靠性。

2、岩土热物性的基本参数测试分析

岩土热物性的基本参数测试分析是《地源热泵系统工程技术规范》中明确要求进行的。目的是了解岩土体的基本物理参数，在此基础上，掌握岩土体的换热能力，为地源热泵系统设计人员提供基础数据，以保证系统的稳定运行。

同一区域内的地质构造往往具有相似性，因而岩土热物性也具有类比性。通过本实验平台进行的岩土热物性测试分析由于测试精度高、流程规范、结果分析严谨，报告在本地区的地源热泵工程项目中具有很强的代表性、示范性。

3、多因素影响测试分析

通过多因素影响测试分析，可以模拟实际工况，给出结合建筑结构、负荷特点等，对设计方案进行系统优化，以保障地源热泵系统长期运行的高效与节能。

本发明的具体使用如下：

一、热物性测试仪器检测标定

①原始地温观测：在将试验系统循环水中的空气排尽后启动循环泵22，对地下土壤的原始温度进行测试，开启循环泵22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埋管换热子系统1埋深范围内岩土层的原始平均温度。

②导热系数、热阻和比热容测试

开启加热设备26，开始标准工况测试，实时记录各项数据。在数据采集过程中，电源应保持稳定，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。

二、多因素影响试验

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。

①变负荷试验

对竖直单U形管11，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：

1)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

2)正常负荷试验(基准)，在标准工况中已进行，不需要重复测试。

3)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。

②热干扰影响试验

在实际的地源热泵工程中，埋管换热子系统1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。

1、单孔试验(基准)，在标准工况中已进行，不需要重复测试。

2、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。

③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。

1、短时运行试验

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。

2、连续运行试验，加热48小时(基准)，在标准工况中已进行，不需要重复测试。

3、恢复特性试验加热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。

4、间隙运行试验加热x小时间隔y小时循环z次

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。

④单双U影响性试验

地源热泵空调系统中的埋管换热子系统1一般有两种形式，分别为单U和双U型埋管。一个钻孔中可设置一组U型管(单U型埋管)或两组U型管(双U型埋管)。

一般地，双U型埋管比单U的换热能力增大15％-30％，具体数值需进行对比试验得出。单U试验(基准)，在标准工况中已进行，不需要重复测试。双U试验，待恢复到原始温度后，切换电磁阀使得1号孔内的两支管并联，进行双U试验。

⑤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。

1、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。

2、正常流量试验(基准)，在标准工况中已进行，不需要重复测试。

3、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

⑥岩土温度影响试验

制冷制热

⑦回填材料影响试验

三、岩土热物性测试报告

根据测试期间记录的数据，通过热物性测试分析程序进行反推计算岩土热物性参数，并得出各种因素的影响分析报告。

①岩土热物性的基本参数测试报告

自某一时刻起，以恒定功率对测试系统内的循环水加热，实时测量回路中水的温度、流量及功率等参数，一定时间(数十小时)后达到稳定状态，测试完毕。

根据已知的数据反推钻孔周围岩土的导热系数和钻孔内热阻。将通过传热模型得到的流体平均温度与实际测量的结果进行对比，调整传热模型中周围岩土的导热系数和钻孔内热阻，当计算得到的结果与实测的结果误差最小时，对应的导热系数数值即是所求的结果。

根据以上参数，可以进行标准工况下地埋管系统的设计。

②多因素影响分析报告

对于非标准工况下地埋管换热器的换热特性需通过对比实验得出，其中的重点是分析进出口水温、流量、单井换热量、加热功率之间的影响，分别给出相应的曲线图。

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埋管换热子系统1、U形管11、支管流量传感器12、支管温度传感器13、管路连接子系统2、循环主管21、循环泵22、主管流量传感器23、主管温度传感器24、膨胀水箱25、加热设备26、制冷设备27、实验控制子系统3、测试仪31、中央处理模块311、参数输入模块312、显示模块313、第一连接机构4、第一电磁阀41、第二连接机构5、第二电磁阀51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

1.一种地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，本实验平台包括埋管换热子系统(1)、管路连接子系统(2)和实验控制子系统(3)，所述的埋管换热子系统(1)包括若干U形管(11)，在每根U形管(11)上分别设有支管流量传感器(12)和支管温度传感器(13)，所述的管路连接子系统(2)包括循环主管(21)和连接在循环主管(21)上的循环泵(22)、主管流量传感器(23)、主管温度传感器(24)，在循环主管(21)上设有并联设置的加热设备(26)和制冷设备(27)，各U形管(11)并联在上述的循环主管(21)两端之间，所述的实验控制子系统(3)包括测试仪(31)，所述的支管流量传感器(12)、支管温度传感器(13)、主管流量传感器(23)和主管温度传感器(24)均与测试仪(31)相连。

2.根据权利要求1所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的循环主管(21)的一端通过第一连接机构(4)与各U形管(11)的一端相连；所述的循环主管(21)的另一端通过第二连接机构(4)与各U形管(11)的另一端相连；所述的第一连接机构(4)和第二连接机构(5)均与测试仪(3)相连。

3.根据权利要求2所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的第一连接机构(4)包括若干第一电磁阀(41)，所述的第一电磁阀(41)与U形管(11)一一对应设置且相连；所述的第二连接机构(5)包括若干第二电磁阀(51)，所述的第二电磁阀(51)与U形管(11)一一对应设置且相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的测试仪(31)包括中央处理模块(311)，在中央处理模块(311)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(312)和显示模块(313)。

5.根据权利要求3所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的实验控制子系统(3)还包括能够为实验控制子系统(3)、管路连接子系统(2)、第一连接机构(4)和第二连接机构(5)供电的电源模块(32)。

6.根据权利要求1或2或3所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的循环主管(21)上还连接有膨胀水箱(25)。

7.根据权利要求1或2或3所述的地源热泵系统多功能实验平台，其特征在于，所述的循环主管(21)的每一端均设有一个主管流量传感器(23)和一个主管温度传感器(24)。