CN103018274A - 一种岩土热物性测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土热物性测试仪，包括：换热器、进水管、出水管、加热器、离心水泵、流量计、进水管温度计、出水管温度计和检测器；本发明中换热器采用套管式换热器，其由内管和外管组成，即内外两根圆柱，理论上更接近甚至完全符合传热模型所假设的物理模型，有效提高了所测算的岩土导热系数的精度；同时通过地埋设多个温度传感器实时监测地温梯度，能真实反映岩土实际温度，有助于提高导热系数的计算精度和验证；且结构紧凑、便携，且现场运行稳定，测试精度均符合规范要求，整个测试过程自动运行，操作便利，性能稳定，亦适用地源热泵地埋换热管的长期运行测试研究。

Description

一种岩土热物性测试仪

技术领域

本发明属于地热测试技术领域，具体涉及一种岩土热物性测试仪。

背景技术

地源热泵系统设计时的一个重要参数就是埋管或钻孔总长度，它主要决定系统供热(冷)能力或容量。埋管不足将使空调效果得不到保证，埋管过多将增大初期投资。而影响埋管长度的最大因素为岩土热物性参数，即岩土导热系数。目前国际上较典型的热物性测试方法为热响应方法，该方法是国际地源热泵协会(IGSHPA)的标准和美国采暖制冷与空调工程师协会(ASHRAE)手册都推荐这一方法。我国在2009年颁布的《地源热泵系统工程技术规范》中明确规定地埋管地源热泵系统方案设计前，应用建筑面积在3000m²～5000m²时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000m²时，应进行热响应试验。

利用热响应原理，在1996年研制了第一台土壤的热容测试设备，并将此设备估计的热物性值应用于地源热泵工程。随后德国、美国，加拿大等国相继开发出多种样式的测试装置(如车载式、便携式等)。2000年后，我国有关研究所和企业也开始研制岩土体热物性测试仪，它们在地源热泵工程设计中发挥了很大的作用。热响应测试设备从装载形式上可分为车载式、拖车式和便携式三类，从热(冷)源类型上可分为加热器型和热泵型两种。

主流的测试方法为控制埋管换热器进出水温差恒定法，通过控制埋管换热器进出水温差恒定法是通过控制加热(制冷)设备的输出功率，来保证埋管换热器进出井温差恒定，然后采集循环水的平均温度，通过线热源或圆柱热源传热模型计算土壤传热系数、热交换井热阻、土壤比热容等热物性参数。此方法在行业中应用较为普遍。

综合分析、考虑目前国内外相关测试仪的特性和功能，还存在一些有待解决和改进的问题，主要体现在：

1)热响应测试仪测算精度低。

我国常用的地埋管换热器构造均为U形或双U形管构造，在解析上把此地埋管换热器的断面的中心轴为热源，将两根或四根管道假。设为一根等效圆管，以该圆管轴心为中心呈辐射状向周围传热，从而利用线源模型求得土壤导热系数。由于U形或双U形管的管径以及埋管间距在不同的设计或施工时存在着差距，因此造成等效圆管半径尺寸的确定也有差异，使得计算出的土壤导热系数的普适性不强。

2)热响应测试仪的构造庞大及运行复杂。

为了提高精度，目前国内较多的热响应测试系统倾向于采用冷、热两种工况，使测试设备体积较大，不方便移动；亦存在系统控制控制自动化程度不高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种岩土热物性测试仪，普适性强，且器件体积小，便于移动。

一种岩土热物性测试仪，包括：

换热器，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内；

进水管，其一端与内管连接；

出水管，其一端插入外管内；

加热器，其一端与出水管另一端相连，另一端与进水管另一端相连；用于加热液体水温；

离心水泵，安装于出水管上；用于为系统中水循环提供驱动力；

流量计，安装于进水管上；用于检测进水管内的水流量；

进水管温度计，安装于进水管上；用于检测进水管内的水温；

出水管温度计，安装于出水管上；用于检测出水管内的水温；

检测器，与流量计、加热器、进水管温度计和出水管温度计相连。

优选地，所述的进水管上安装有进水止回阀，所述的进水止回阀与加热器相邻，其用于防止水回流至加热器。

优选地，所述的进水管上安装有膨胀罐，其用于减缓水受温度影响而产生压力波动。

优选地，所述的换热器与钻孔内壁之间的空隙中埋设有多个温度传感器并采用细骨料填充，所述的温度传感器与检测器相连，多个温度传感器沿钻孔纵向均匀分布；用于测试不同深度地温，能够真实反映岩土实际温度，有助于提高导热系数的计算精度和验证。

所述的出水管连接有补水管；出水管与补水管的连接处位于离心水泵和出水管温度计之间；补水管上安装有补水止回阀；用于对循环管路补充水液体。

所述的检测器包括信息采集单元和信息处理单元；所述的信息采集单元用于采集进出水管和岩土的温度信息以及进水管的流量信息，并将这些信息提供给信息处理单元；所述的信息处理单元用于根据这些信息计算出岩土热物性参数。所述的信息处理单元采用PLC。

优选地，所述的流量计两侧管路每侧具有不小于0.1m的直线管路，能够提高测量数据稳定性。

优选地，邻近进水管温度计的进水管上以及邻近出水管温度计的出水管上均安装有水压计；所述的水压计与检测器相连；能够实时监控循环管路内压力稳定状况，方便判断由于循环管是否漏水、漏压等对测试造成的影响。

优选地，所述的进水管、出水管和补水管上均安装有球阀；便于控制进出循环管路水流以及管路维修。

优选地，所述的信息处理单元连接有上位机，且信息处理单元与离心水泵和加热器相连；便于通过上位机设定加热功率和水泵功率，控制系统开启与关闭以及选择测试模式，实时监测各测点温度、水压、加热器和水泵功率、流量等时间变化，进而计算岩土热物性参数。

所述的信息处理单元基于以下算式计算出岩土热物性参数：

${\mathrm{\λ}}_s=\frac{Q}{4\mathrm{\πkL}}$

$k=\frac{T_f-m}{\ln \left(t\right)}$

$T_f=\frac{T_{\mathrm{in}}+T_{\mathrm{out}}}{2}$

m＝T_ff+QR

Q＝CVΔT

其中：λ_s为岩土导热系数即岩土热物性参数，L为外管的长度，R为外管的半径，T_ff为所有温度传感器所测得温度的平均值，T_in为进水管温度计所测得的温度值，T_out为出水管温度计所测得的温度值，ΔT＝T_in-T_out，V为流量计所测得的水流量，C为水的比热容，t为时刻，且加热器开启时刻为初始时刻。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用地埋套管式换热器，套管式换热器本身为内外圆柱型，理论计算直接以内管轴心为中心呈辐射状向周围传热模式，相比U形或双U形管而言，计算上无需等效圆管的假设，因此，套管式换热器更接近甚至完全符合传热模型所假设的物理模型，从而使得在理论应用上更加合理，且普适性强。

(2)本发明通过地埋设多个温度传感器实时监测地温梯度，能真实反映岩土实际温度，有助于提高导热系数的计算精度和验证。

(3)本发明结构紧凑、便携，且现场运行稳定，测试精度均符合规范要求，整个测试过程自动运行，操作便利，性能稳定，亦适用地源热泵地埋换热管的长期运行测试研究。

附图说明

图1为本发明测试仪的结构示意图。

图2为本发明测试仪进出口平均水温随时间的曲线图。

图3为本发明测试仪热流量及电加热功率随时间的曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其测试过程进行详细说明。

如图1所示，一种岩土热物性测试仪，包括：换热器1、进水管2、出水管3、加热器4、离心水泵5、补水管6、膨胀罐13、检测器、进水止回阀7、两个温度计81～82、两个水压计91～92、一流量计10和六个温度传感器11；其中：

换热器1埋设于岩土的钻孔中，其由外管1B和内管1A组成，外管1B底部封闭，内管1A设于外管1B内；外管1B顶部高度为地表面下-0.2m，外管1B和内管1A的尺寸分别为DN110和DN32，钻孔直径为200mm，深度为50m，换热器1与钻孔壁间隙内采用细骨料填充。

六个温度传感器11埋设于换热器1与钻孔内壁之间的空隙中，其根据埋管深度沿钻孔纵向均匀分布每隔10m设置一个(即地表面下0m、10m、20m、30m、40m和50m共计6个)，并通过测温电缆12供电。

进水管2一端与内管1A连接，出水管3一端插入外管1B内；

两个温度计分进水管温度计81和出水管温度计82；进水管温度计81安装于邻近内管1A的进水管2上，用于检测进水管2内的水温；出水管温度计82安装于邻近外管1B的出水管3上，用于检测出水管3内的水温。

两个水压计，一个水压计91安装于邻近进水管温度计81的进水管2上，另一个水压计92安装于邻近出水管温度计82的出水管3上。

进水管温度计81与内管1A之间的进水管2上安装有一球阀D1，出水管温度计82与外管1B之间的出水管3上也安装有一球阀D2；换热器1至这两个球阀之间的进出水管采用尺寸为DN32的PE塑料管，其余段的进出水管均采用尺寸为DN25的不锈钢管。

加热器4一端与出水管3另一端相连并设有球阀D3，另一端与进水管2另一端相连并设有球阀D4；其用于加热液体水温；本实施方式中，加热器4的加热功率为0～6000W，温度范围为0-500℃。

离心水泵5安装于邻近加热器4的出水管3上，用于为系统中水循环提供驱动力；本实施方式中，离心水泵5采用型号为CHLF(T)2-30(南方泵业)的轻型卧式多级水泵。

进水止回阀7安装于邻近加热器4的进水管2上，用于防止水回流至加热器4。

膨胀罐13安装于进水管2上，用于减缓水受温度影响而产生压力波动；本实施方式中，膨胀罐13采用型号为ZILMET-2L-10BAR(齐尔美特)的不锈钢压力罐。

流量计10安装于进水管2上，用于检测进水管2内的水流量；其两侧管路每侧确保具有不小于0.1m的直线管路；本实施方式中，流量计10采用型号为ZY-LDE的智能电磁流量计。

补水管6与出水管3相连通，其连通处位于离心水泵5和出水管温度计82之间，补水管6上安装有补水止回阀14和球阀D5。

检测器与温度传感器11、离心水泵5、加热器4、流量计10、进水管温度计81、出水管温度计82以及两个水压计91～92相连；检测器包括信息采集单元和信息处理单元；其中：

信息采集单元与温度传感器11、水压计91～92、流量计10、加热器4、进水管温度计81、出水管温度计82和信息处理单元相连，用于采集进出水管和岩土的温度信息、进出水管的水压信息、加热器的热功率信息、进水管的流量信息，并将这些信息提供给信息处理单元；

信息处理单元与上位工控机、离心水泵5和加热器4相连，其用于根据信息采集单元采集到的上述信息计算出岩土热物性参数，并将上述这些信息以及计算得到的岩土热物性参数传送至上位工控机显示；同时通过上位工控机接收用户的操作指令，以控制离心水泵和加热器开启或关闭，通过液体流量变送器控制离心水泵工作频率以调节液体流量，通过功率变速器控制加热器以调节电加热功率。

本实施方式，信息处理单元采用型号为S7-200224XP(西门子)的PLC，其基于以下算式计算出岩土热物性参数：

${\mathrm{\λ}}_s=\frac{Q}{4\mathrm{\πkL}}$

$k=\frac{T_f-m}{\ln \left(t\right)}$

$T_f=\frac{T_{\mathrm{in}}+T_{\mathrm{out}}}{2}$

m＝T_ff+QR

Q＝CVΔT

其中：λ_s为岩土导热系数即岩土热物性参数，L为外管的长度(本实施方式中L＝50m)，R为外管的半径(本实施方式中R＝110mm)，T_ff为所有温度传感器所测得温度的平均值，T_in为进水管温度计所测得的温度值，T_out为出水管温度计所测得的温度值，ΔT＝T_in-T_out，V为流量计所测得的水流量，C为水的比热容(4.183×10³J/kgK)，t为时刻，且加热器开启时刻为初始时刻。

本实施方式的测试步骤如下：

首先，开启设备，检查上位工控机显示屏中各数值测试运转情况；通过补水管向循环管路中充水并开启离心水泵3，循环管路内充满水排尽空气后关闭补水管上的球阀；

然后，点击上位工控机显示屏主界面上“系统设置”，选择“恒功率模式”。在此界面设置水泵频率和加热功率数值后退回主界面，点击“开机”，系统自动开始运行；

然后，系统自动记录进出水管温度和水压、加热功率、循环水流量、地温梯度，并计算出岩土导热系数，进而显示屏上显示。

图2为某一实际测试结果，表示设备进出口平均水温T_f随时间变化的曲线；由此，上述公式可以写成：

T_f＝kln(t)+m＝1.8232ln(t)+23.608

即k＝1.8232。

图3表示热流量Q以及电加热功率Q_d随时间变化的曲线；因此通过上述公式可计算出λ_s＝Q/4πkL＝1.326(W/mK)。

Claims (10)

1.一种岩土热物性测试仪，其特征在于，包括：

换热器，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内；

进水管，其一端与内管连接；

出水管，其一端插入外管内；

加热器，其一端与出水管另一端相连，另一端与进水管另一端相连；

离心水泵，安装于出水管上；

流量计，安装于进水管上；

进水管温度计，安装于进水管上；

出水管温度计，安装于出水管上；

检测器，与流量计、加热器、进水管温度计和出水管温度计相连。

2.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的进水管上安装有进水止回阀，所述的进水止回阀与加热器相邻。

3.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的进水管上安装有膨胀罐。

4.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的出水管连接有补水管；出水管与补水管的连接处位于离心水泵和出水管温度计之间，补水管上安装有补水止回阀。

5.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的换热器与钻孔内壁之间的空隙中埋设有多个温度传感器，多个温度传感器沿钻孔纵向均匀分布，所述的温度传感器与检测器相连。

6.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的检测器包括信息采集单元和信息处理单元；所述的信息采集单元用于采集进出水管和岩土的温度信息以及进水管的流量信息，并将这些信息提供给信息处理单元；所述的信息处理单元用于根据这些信息计算出岩土热物性参数。

7.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的流量计两侧管路每侧具有不小于0.1m的直线管路。

8.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：邻近进水管温度计的进水管上以及邻近出水管温度计的出水管上均安装有水压计，所述的水压计与检测器相连。

9.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于：所述的进水管、出水管和补水管上均安装有球阀。

10.根据权利要求6所述的测试仪，其特征在于：所述的信息处理单元连接有上位机，且信息处理单元与离心水泵和加热器相连。

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