CN102854214A - 土壤热物性参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤热物性参数测量装置及测量方法。该装置包括电加热电缆，设置在U型管的内部或U型管的外壁上，所述U型管埋设在土壤中，所述电加热电缆用于向所述土壤提供热量；温度传感器组，设置在所述U型管的内部或U型管的外壁上，包括按照不同深度间隔设置的多个光纤温度传感器；数据采集控制器，与所述温度传感器组中的各光纤温度传感器连接，用于采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。本发明技术方案可有效提供土壤换热过程中所需的热量，提高土壤热物性参数测量的准确性，测量效率高。

Description

土壤热物性参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及土壤热物性参数测量技术，特别是涉及一种土壤热物性参数测量装置及测量方法。

背景技术

随着人们对环境保护意识的不断提高，越来越多的建筑采用土壤源热泵技术来供热供冷，其中，土壤源热泵是利用土壤一年四季温度稳定的特点，冬季时将土壤能作为热泵供暖的热源，将高于环境温度的土壤中的热能取出供室内采暖，夏季时将土壤能作为空调的冷源，将室内的热能取出释放到低于环境温度的土壤中，并在土壤中进行热交换，将冷气提供给室内。由于土壤源热泵在运行中不排放污染，能源消耗低，因此，利用土壤源热泵进行供热供冷具有较高的节能和环保效果。

土壤源热泵系统的换热器是用来连接建筑和土壤，并在两者之间进行热交换的重要装置，而垂直U型管换热器就是其中一种比较常见的换热器，由于换热器的设计主要取决于建筑的冷热负荷，以及土壤的初始温度、土壤的导热系数和比热容等土壤热物性参数，因此，在进行U型换热管设计和埋设时需要测量U型管埋设地的土壤的热物性参数，以便为U型管的埋设和土壤源热泵系统提供设计依据。其中，要想获得土壤的热物性参数，需要测量土壤的初始温度，以及土壤在热交换过程中的温度变换，从而可以这些参数计算得到土壤的导热系数和比热容等，因此，目前，通常采用土壤热物性参数测量仪器来来测量相关的参数后，在柱热源传热模型中通过一定的计算后获得土壤的热物性参数。

目前，土壤热物性参数测量仪器通常采用水循环系统，来为土壤热交换提供所需的热量，即通过具有加热装置的水循环系统为埋设在土壤中的U型管提供加热过的介质，以便利用加热的循环水为土壤提供换热所需的热量，以测量土壤换热过程中的温度变化。具体地，现有土壤热物性参数测量装置通常包括循环管路、绝热的介质容器、介质温度检测记录系统、定功率加热系统和管路介质循环流量检测记录系统，其中，测试仪开始工作前，将循环管路进出口分别与设置的U型换热器的进出口连接，形成循环介质环路;定功率加热系统包括加热器，用于对管路循环介质以恒定的功率进行加热；介质温度检测记录系统包括两个热电阻或电偶温度传感器，分别设置在循环管路与U型换热器的进口和出口连接处，用于测量进入和流出U型换热器进口和出口的介质的温度；管路介质循环流量检测记录系统包括流量传感器，用于检测和记录介质流量的数据。在进行测量时，首先在不开启加热器或冷却器时开启循环泵，在循环管路内使介质循环至稳定温度时，通过温度传感器获得土壤的初始温度；初始温度测量后，利用定功率加热器或冷却器加热介质并在管路中循环，并间隔一定时间记录相应时间点时U型换热器进口和出口的介质循环运行时的温度，以及同一时间点环路中的介质流量；最后，根据测量得到的土壤的初始温度、介质循环运行时的温度以及流量，在柱热源传热模型中通过迭代计算得到土壤的热物性参数。此外，为提高土壤热物性参数测量的准确性，现有技术也提出了测试土壤分层温度的测量装置，即在上述技术基础上，在U型管内间隔设置多个温度传感器，以测试土壤在不同深度的分层温度，得到土壤的分层分布的热物性参数。

但是，现有采用水循环系统为土壤换热过程提供热量的技术中，需要单独设置介质循环系统及相应的加热装置，导致土壤加热效率低，且土壤热物性参数测试时，通常在建筑施工之前进行，现场测试条件差，而介质循环系统的体积和自重又较大，介质循环系统的安装比较困难，导致土壤热物性参数测量困难，影响测量效率；此外，采用介质循环系统向U型管提供加热的循环水过程中，极易造成热量损耗，电加热装置施加的热量不能完全与土壤进行换热，导致热物性参数测量结果准确性较差；另外，现有技术温度测试过程中，通常采用热电阻或热电偶传感器，该类温度传感器工作不稳定，每次测量时均需要进行标定，影响测量进度。

发明内容

本发明提供一种土壤热物性参数测量装置及测量方法，可利用电加热电缆对土壤进行加热，并利用光纤温度传感器来测量土壤温度，可有效提高加热的便利性，减少热源浪费，提高测量效率和测量结果的准确性。

本发明提供一种土壤热物性参数测量装置，包括：

电加热电缆，设置在U型管的内部或U型管的外壁上，所述U型管埋设在土壤中，所述电加热电缆用于向所述土壤提供热量；

温度传感器组，设置在所述U型管的内部或U型管的外壁上，包括按照不同深度间隔设置的多个光纤温度传感器；

数据采集控制器，与所述温度传感器组中的各光纤温度传感器连接，用于采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

本发明另提供一种利用上述本发明提供的装置的土壤热物性参数测量方法，包括：

通过数据采集控制器，读取温度传感器组中各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤初始温度；

利用电加热电缆以恒定功率加热U型管周围的土壤，并以预设时间间隔，采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度；

在各光纤温度传感器采集的土壤温度稳定时，停止所述电加热电缆的加热，并以预设时间间隔采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

本发明提供了一种土壤热物性参数测量装置及测量方法，通过设置电加热电缆为土壤热交换提供所需的热量，相对于传统采用水循环系统以循环水提供热量的方式而言，可有效提高加热效率，减少热量损耗，提高热物性参数测量的准确性，同时可具有较小的体积和低廉的成本；此外，本发明技术方案采用光纤温度传感器来作为测量温度的传感器，并可检测不同深度位置的土壤温度，使得温度的检测更加准确，同时可基于不同深度位置测量得到的土壤温度，得到不同深度位置土壤的热物性参数，使得检测结果准确、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例提供的土壤热物性参数测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的土壤热物性参数测量方法的流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的土壤热物性参数测量装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例测量装置包括电加热电缆1、温度传感器组2和数据采集控制装置3，其中，电加热电缆1设置在U型管4的内部，用于以恒定加热功率对埋设U型管4的周围的土壤提供热量；温度传感器组2包括多个光纤温度传感器，按照不同深度间隔设置在U型管4的内部，用于测量不同深度位置的土壤温度；数据采集控制装置3与温度传感器组2中的各光纤温度传感器连接，用于控制各光纤温度传感器工作，并实时采集各光纤温度传感器测得的不同深度位置的土壤温度，也即土壤的分层温度。本实施例可利用电加热电缆1为U型管4埋设处的土壤提供热量，并可通过温度传感器组2中光纤温度传感器测量不同深度位置、不同时刻的土壤温度，从而可根据测量得到的不同深度位置、不同时刻的土壤温度，计算得到不同深度位置土壤的热物性参数，以为U型管换热器的设计、安装以及土壤源热泵的设计提供依据。

本实施例中，U型管内可通入介质，通常为水，以便于电加热电缆1以恒定加热功率提供热量时，可通过介质将热量均匀地施加在U型管4周围的土壤，提高加热效果。实际应用中，在对土壤进行加热时，也可在U型管4不充入任何介质，而是直接利用电加热电缆1为土壤加热，对此本实施例并不做特别限制。

本领域技术人员可以理解，在利用电加热电缆1对土壤加热过程中，土壤的温度是逐渐升高至稳定值，在此过程中，可通过温度传感器组2中各光纤温度传感器来检测土壤由初始温度逐渐到最高温度时间段内，不同时刻、不同深度位置的土壤的温度，也即土壤的温度变化情况，以便利用这些温度计算得到不同深度位置土壤的热物性参数，例如导热系数以及比热容系数等。其具体计算过程与传统热物性参数测量过程相同或类似，在此不再赘述。

本实施例中，温度传感器组3中设置的光纤温度传感器的个数可以为多个，例如可为50-100个，实际应用中也可根据土壤的深度，以及所在的地理位置，设置合适数量的光纤温度传感器，并沿竖直方向，按预设距离以均匀间隔设置。本领域技术人员可以理解，每个温度传感器的设置的位置即可表示相应的分层土壤，通过各位置的温度传感器，即可确定出相应位置土壤所处的分层土壤在各条件下的温度，基于各分层土壤测量得到的温度，就可以确定各分层土壤的热物性参数。

本实施例中，电加热电缆1可选用现有市场上常见型号及功率的电缆，实际应用中，可根据需要选择合适加热功率的加热电缆，电缆的选择非常方便，且具有较好的加热功率，可有效为土壤换热提供所需的热量；同时，由于电缆深入U型管内部进行加热，热量损耗小，可有效提高土壤热物性参数测量的准确性和可靠性。相对于传统采用循环水提供热量的方式，可具有较小的体积，且成本低，同时也便于安装，可有效提高加热效率，降低整个土壤热物性参数测量的效率以及测量结果的准确性和可靠性。

本实施例中，采用光纤温度传感器作为测量土壤温度的传感器，光纤传感器的尺寸小，便于构造传感器束从而实现对土壤不同深度位置的温度检测，且光纤温度传感器原理是采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在两根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，所以输出的光功率与温度呈函数关系；其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性，属于非接触式测温，使得光纤温度传感器具有良好的稳定性，安装使用后无需再做标定。本实施例中采用光纤温度传感器，可具有较高的温度测量精度，以及不需要进行标定的特点，可有效提高温度测量的效率，以及测量的准确性和可靠性。

本实施例中，如图1所示，电加热电缆1和温度传感器组2分别位于U型管4的两侧的管道内，这样，可避免温度传感器组2中各光纤温度传感器测量的结果受电加热电缆1的影响。实际应用中，电加热电缆1和温度传感器2也可位于U型管同一侧的管道内，只要温度传感器组中的各光纤温度传感器的设置位置与电加热电缆位于不同的位置；实际应用中，电加热电缆1和温度传感器组2也可分别位于U型管同一侧管道的内外侧壁上。

本实施例中，如图1所示，还可包括有电源5，用于为电加热电缆1以及数据采集控制器3提供电源，以确保二者可稳定工作。其中，数据采集控制器3可以是微控制器或者计算机设备等。

本领域技术人员可以理解，对土壤测量前，需要预先将U型管埋入待测试的土壤中，其中，待U型管埋设完全后，即可进行测试，此时，可将温度传感器组以及电加热电缆放入U型管内部，进行加热以及温度的测量。

本发明实施例提供的土壤热物性参数测量装置，通过设置电加热电缆为土壤热交换提供所需的热量，相对于传统采用水循环系统以循环水提供热量的方式而言，可有效提高加热效率，减少热量损耗，提高热物性参数测量的准确性，同时可具有较小的体积和低廉的成本；此外，本发明实施例技术方案采用光纤温度传感器来作为测量温度的传感器，并可检测不同深度位置的土壤温度，使得温度的检测更加准确，同时可基于不同深度位置测量得到的土壤温度，得到不同深度位置土壤的热物性参数，使得检测结果准确、可靠。

上述本发明实施例中，电加热电缆除了可以设置在U型管的内部外，也可设置在U型管的外壁，并随U型管一起埋设在土壤中；类似的，温度传感器组也可设置在U型管的外壁，并随U型管一起埋设在土壤中。实际应用中，电加热电缆与温度传感器可分别位于U型管的内部和外壁，以避免二者直接接触。

图2为本发明实施例提供的土壤热物性参数测量方法的流程示意图。本实施例可采用上述图1所示装置对土壤热物性参数进行测量，具体地，如图2所示，本实施例测量方法可包括如下步骤：

步骤101、通过数据采集控制器，读取温度传感器组中各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤初始温度；

步骤102、利用电加热电缆以恒定功率加热U型管周围的土壤，并以预设时间间隔，采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度；

步骤103、在各光纤温度传感器采集的土壤温度稳定时，停止电加热电缆的加热，并以预设时间间隔采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

在执行上述步骤101前，可将U型管埋设在待测试的土壤的孔洞内，然后将孔洞回填密实；然后，将电加热电缆以及温度传感器组分别放入U型管两侧的管道；等待2-3天，待地下土壤恢复到初始状态后，即可执行步骤101，以通过采集温度传感器组的各光纤温度传感器测量得到的土壤在不同深度位置的初始温度。

在执行上述步骤102时，可将电加热电缆以恒定功率加热，并可持续加热时间在2-3天，至道土壤的温度趋于稳定时，说明土壤已经热交换完成，则可停止加热。且在加热过程中，可按预设时间间隔采集各温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度，在此过程中，测量得到的不同时刻的土壤的温度，实际上就是反应土壤换热过程的温度变化情况。

上述步骤103是按照时间间隔测量得到的土壤由换热后的温度恢复到初始温度过程中的温度变化情况，该温度变化情况也可以反映出土壤的导热系数以及比热容。

本实施例中，当获取不同深度处土壤的初始温度、换热过程中土壤的温度变化情况以及换热恢复过程中土壤温度变换情况后，即可根据这些测量得到的温度，通过柱热源传热模型，通过迭代计算出土壤在不同深度的热物性参数，其具体计算过程与传统计算方法相同或类似，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种土壤热物性参数测量装置，其特征在于，包括：

电加热电缆，设置在U型管的内部或U型管的外壁上，所述U型管埋设在土壤中，所述电加热电缆用于向所述土壤提供热量；

温度传感器组，设置在所述U型管的内部或U型管的外壁上，包括按照不同深度间隔设置的多个光纤温度传感器；

数据采集控制器，与所述温度传感器组中的各光纤温度传感器连接，用于采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

2.根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述U型管内充有介质。

3.根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述光纤温度传感器的数量为50-100个，且沿竖直方向均匀间隔设置在所述U型管的内壁或外壁上。

4.根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述电加热电缆和温度传感器组位于所述U型管的不同侧。

5.一种利用权利要求1-4任一装置的土壤热物性参数测量方法，其特征在于，包括：

通过数据采集控制器，读取温度传感器组中各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤初始温度；

利用电加热电缆以恒定功率加热U型管周围的土壤，并以预设时间间隔，采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度；

在各光纤温度传感器采集的土壤温度稳定时，停止所述电加热电缆的加热，并以预设时间间隔采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

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