CN106771085A - 一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置及方法，装置包括电缆导线、外套筒；所述外套筒内设置有土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块，土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块均通过电缆导线与外界控制系统连接。本发明通过土体含水量监测模块采集土体含水量，通过土体温度监测模块采集土体温度，通过土体生物活性检测模块采集土体生物活性。本发明能分别实时监测地源热泵周围土壤温度、土壤含水率和土壤生物活性，根据三项指标的监测能够评估地源热泵周围土体性能，进而研究改善地源热泵的运行性能的解决途径。

Description

一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置及方法

技术领域

本发明属于环保能源技术领域，涉及一种土体性能检测装置及方法，具体涉及一种实时监测地源热泵周围土体性能的装置及方法。

背景技术

在能源短缺和环境污染日益严重的今天，地源热泵作为一种高效、无污染的新型能源利用技术得到了大力推广。然而，目前地源热泵存在寿命周期短，制冷或者制热效果不佳的问题，无法完全发挥其功效。

目前的研究都将地源热泵运行性能下降归结于土壤热不平衡问题，土壤热不平衡问题主要反映在土壤原始温度的变化，因此除了现有许多对地源热泵埋管内介质温度的监测外，有必要对地源热泵周围土体温度进行实时监测。

另有有限的定性研究发现土壤传热性能与土壤含水率有关，随着含水率的增高，土体换热性能越好，因此有必要对地源热泵周围土体含水率进行实时监测。

土体中存在了大量的微生物，当地源热泵运行时，将会使地源热泵周围土体温度骤降或骤升，导致微生物大量死亡，不仅影响土体的物理力学性能，而且会大大降低地源热泵的热交换效率。很多学者都将地源热泵失效归结于土壤热力不均衡，而没有考虑到土壤温度变化对微生物造成的危害。

综上所述，目前尚未发明一种对地源热泵周围土体实时监测的装置(对地源热泵周围土体物理性能及生物活性进行有效监测)。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：包括电缆导线、外套筒；所述外套筒内设置有土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块，所述土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块均通过所述电缆导线与外界控制系统连接。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过土体含水量监测模块采集土体含水量；

步骤2：通过土体温度监测模块采集土体温度；

步骤3：通过土体生物活性检测模块采集土体生物活性。

本发明的优点是：

1、对于温度监测模块，与其他传统地源热泵温度监测对象不同，监测对象为地源热泵周围土体温度，能够通过长期的实时监测准确描述出地源热泵的长期运行对热泵周围土体温度的影响。由于采用在低温表现良好的金属热电阻温度传感器，温度监测的误差能够得到有效的控制。

2、对于土体微生物活性检测模块，通过荧光显微镜成像能够实时成像监测，不需要经过现场土体扰动采样，通过长期实时监测土体微生物活性能间接反映出土体板结情况，结合地源热泵的运行效率能得出地源热泵的运行对土体微生物活性的影响。

3、对于土体含水量监测模块，由于采用非接触红外水分监测手段，在保证监测精度的同时减少了对土体的扰动影响，在长期的实时监测下能在以往实验基础上得出地源热泵的长期运行对引起土体含水率的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的装置在地源热泵运行设备中布置图；

图2为本发明实施例装置剖视图；

图3为本发明实施例装置俯视图；

图4为本发明实施例装置仰视图；

图中，1为电缆导线、2为外套筒、3为温度传感器、4为摄像部件、5为照明部件、6为第一控制开关、7为聚光镜、8为第二控制开关、9为红外探测器、10为红外镜头、11为红外线灯、12为第一腔体、13为第二腔体。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，监测装置沿地源热泵U型地下埋管换热器布置，装置分为地上数据采集的计算机和地下监测装置，二者利用埋设与地下的电缆导线1相连。

如图2、图3、图4所示，地下监测装置分为两个腔，共三个监测模块，分别为土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块，土体温度监测模块和土体生物活性检测模块置于第一腔体12内，土体含水量监测模块置于第二腔体13内。

含有温度检测模块和土体生物活性检测模块的第一腔体12以及含有土体含水率监测模块的第二腔体13采用并联连接。

在第一腔体12内，荧光显微镜4和LED灯5均内嵌于PPR外套筒之上，再在此套筒上安装温度传感器3，安装步骤如下；首先对温度传感器3进行标定，再将温度传感器3与电缆导线1进行连接，最后将其安设在事先钻出孔的PPR外套筒2上；同时对温度传感器3进行防水处理，避免短路。在外套筒2内外上万能胶，待干后打上环氧树脂密封处理。

第二腔体13内的土体含水量监测模块由聚光镜7、红外探测器9、红外镜头10、红外线灯11和第二控制开关8组成；聚光镜7安装于第二腔体内壁之上，红外镜头10内嵌于外套筒外壁之上用于红外光的透过，聚光镜7、红外探测器9、红外镜头10位于同一水平线上；第二控制开关8与红外探测器9和红外线灯11串连，控制开启与关闭。

本发明还提供了一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性方法，包括以下步骤：

步骤1：通过土体含水量监测模块采集土体含水量，具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：计算土体吸光度：

E＝ln(I₀/I)＝εed

式中：I₀为入射红外光强度；I为出射或反射光强度，e为土壤含水率，ε为吸收系数，d为样品吸收层厚度，E为吸光度；

步骤1.2：根据水在1～5微米红外区的吸收谱可以测出土壤对水吸光度来确定土壤含水率。

步骤2：通过土体温度监测模块采集土体温度；

步骤3：通过土体生物活性检测模块采集土体生物活性，具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：照明光线从与土体方向垂直的LED照明灯落射到地源热泵周围土体之上，经土体反射进入摄像部件(4)物镜中；

步骤3.2：通用远程计算机控制调整摄像部件(4)的焦距，使得实时成像清晰；

步骤3.3：通过与土体生物活性检测系统连接的计算机中的数码成像系统，采集数码图像。

尽管本说明书较多地使用了电缆导线1、外套筒2、温度传感器3、摄像部件4、照明部件5、第一腔体开关6、聚光镜7、第二腔体开关8、红外探测器9、红外镜头10、红外线灯11、第一腔体12、第二腔体13等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，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。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：包括电缆导线(1)、外套筒(2)；所述外套筒(2)内设置有土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块，所述土体含水量监测模块、土体温度监测模块和土体生物活性检测模块均通过所述电缆导线(1)与外界控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述外套筒(2)内设置有第一腔体(12)和第二腔体(13)；所述第一腔体(12)内设置有土体温度监测模块和土体生物活性检测模块，所述第二腔体(13)内设置有土体含水量监测模块。

3.根据权利要求1或2所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述第一腔体(12)内的土体温度监测模块和土体生物活性检测模块由温度传感器(3)、摄像部件(4)、照明部件(5)和第一控制开关(6)组成，所述温度传感器(3)、摄像部件(4)、照明部件(5)均内嵌于外套筒(2)外壁之上，并通过所述第一控制开关(6)控制开启与关闭。

4.根据权利要求3所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述温度传感器(3)为金属热电阻温度传感器，所述摄像部件(4)为荧光显微镜，所述照明部件(5)为LED灯。

5.根据权利要求1或2所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述第二腔体(13)内的土体含水量监测模块由聚光镜(7)、红外探测器(9)、红外镜头(10)、红外线灯(11)和第二控制开关(8)组成；所述聚光镜(7)安装于第二腔体内壁之上，所述红外镜头(10)内嵌于外套筒外壁之上用于红外光的透过，所述聚光镜(7)、红外探测器(9)、红外镜头(10)位于同一水平线上；所述第二控制开关(8)与红外探测器(9)和红外线灯(11)串连，控制开启与关闭。

6.根据权利要求1或2所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述第一腔体(12)内设置的土体温度监测模块和土体生物活性检测模块和第二腔体(13)内设置的土体含水量监测模块并联连接，相互独立工作。

7.根据权利要求1或2所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性装置，其特征在于：所述外套筒(2)是PPR套管。

8.一种监测地源热泵周围土体性能及生物活性方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过土体含水量监测模块采集土体含水量；

步骤2：通过土体温度监测模块采集土体温度；

步骤3：通过土体生物活性检测模块采集土体生物活性。

9.根据权利要求8所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：计算土体吸光度：

E＝ln(I₀/I)＝εed

式中：I₀为入射红外光强度；I为出射或反射光强度，e为土壤含水率，ε为吸收系数，d为样品吸收层厚度，E为吸光度；

步骤1.2：根据水在1～5微米红外区的吸收普可以测出土壤对水吸光度来确定土壤含水率。

10.根据权利要求8所述的监测地源热泵周围土体性能及生物活性方法，其特征在于，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：照明光线从与土体方向垂直的LED照明灯落射到地源热泵周围土体之上，经土体反射进入摄像部件(4)物镜中；

步骤3.2：通用远程计算机控制调整摄像部件(4)的焦距，使得实时成像清晰；

步骤3.3：通过与土体生物活性检测系统连接的计算机中的数码成像系统，采集数码图像。