CN107328815A - 用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪及测试方法 - Google Patents

用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪及测试方法 Download PDF

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宋洪涛
胡永锋
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Abstract

本发明涉及一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，包括水箱、位于所述水箱内的加热装置、与所述水箱连接的供水管、位于供水管上的水泵和流量计、与所述供水管连接的土壤换热器、与所述土壤换热器连接的回水管，所述回水管与所述水箱连接，还包括电控设备和测温探头，所述电控设备与所述加热装置、所述水泵、所述流量计、所述测温探头连接，所述测温探头设置在所述供水管、所述回水管、所述水箱上。还涉及了一种运用所述测试仪的岩土体热物性测试方法。本发明中用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪和岩土体热物性测试方法能够为电源热泵提供有力依据。

Description

用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪及测试方法
技术领域
本发明涉及岩土物性领域，具体而言，涉及一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪及一种岩土体热物性测试方法。
背景技术
地源热泵是以地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。该系统是把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管(PE管)组成的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温。同时储存热量，以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用。大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。地源热泵系统方案设计前，应进行工程场区内岩土体地质条件进行勘察。其中勘察最主要的内容就是岩土体热物性的测试。
发明内容
本发明为了地源热泵系统的设计提供设计依据，提供了一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，包括水箱、位于所述水箱内的加热装置、与所述水箱连接的供水管、位于供水管上的水泵和流量计、与所述供水管连接的土壤换热器、与所述土壤换热器连接的回水管，所述回水管与所述水箱连接，还包括电控设备和测温探头，所述电控设备与所述加热装置、所述水泵、所述流量计、所述测温探头连接，所述测温探头设置在所述供水管、所述回水管、所述水箱上。
进一步地，所述土壤换热器为单U或双U型埋管。
进一步地，所述供水管与所述水箱底部连接，所述回水管与所述水箱顶部连接。
进一步地，还包括设置于所述水箱底部的泄流阀、设置于所述水箱上的液位仪、设置于所述水箱顶部的排气管、设置于所述供水管上的截止阀。
进一步地，所述土壤换热器设置在地下的土壤内。
本发明另一方名，还提供了一种运用上述用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪的岩土体热物性测试方法，，包括如下步骤：
S1、在水箱中注满水，并开启水泵，记录所述水箱中循环水的温度；
S2、启动水箱中加热装置，直至温度稳定在阈值范围内，获取所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热棒功率；
S3、根据所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热装置功率分析计算获取土壤的热物性参数。
进一步地，所述步骤S3具体包括，S31、利用公式Q＝cm△t获取土壤换热器的散热量Q，其中，c表示水的比热容，m表示质量流量，△t表示变化的温度；
S32、利用公式P＝Q/(T*H)获取每米散热功率P，其中，T为测试时间，H为土壤换热器离地表的深度。
进一步地，还包括通过调节水泵，设置管内流速不低于0.4m/s。
进一步地，所述步骤S2中，所述阈值范围为30±5摄氏度。
进一步地，获取加热装置功率的步骤包括获取设备运行时间、加热装置消耗的电能，从而获取加热装置功率。
本发明中用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪和岩土体热物性测试方法能够为地源热泵提供有力依据。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明一些实施例中的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪的结构示意图；
图2为本发明一些实施例中的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪中的土壤换热器的安装示意图；
图3为本发明一些实施例中的岩土体热物性测试方法的流程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
地源热泵系统方案设计前，应进行工程场区内岩土体地质条件进行勘察，本发明为了提供设计依据，提供了一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，采用电加热器提供稳定热量，记录地埋管换热器的温度响应情况，并利用数学模型计算岩土体热物性参数，进而设计地埋管换热器。具体测试原理如下：将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的HDPE管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中，将进/出仪器的温度、流量和加热器的加热功率进行采集记录，来进行分析计算土壤的热物性参数。
实施例一
具体地，参考图1，本发明提供了一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪100，包括水箱110、位于所述水箱110内的加热装置120、与所述水箱110连接的供水管111、位于供水管111上的水泵112和流量计113、与所述供水管111连接的土壤换热器130、与所述土壤换热器130连接的回水管114，所述回水管114与所述水箱110连接，还包括电控设备140和测温探头150，所述电控设备140与所述加热装置120、所述水泵112、所述流量计113、所述测温探头150连接，所述测温探头150设置在所述供水管111、所述回水管114、所述水箱110上。通过测量进水、出水温度计算出换热系数、散热功率或者吸热功率等岩土热物性参数。
本发明中所述土壤换热器130为双U型埋管保证了与土壤的接触面积，也增大了换热量。
本发明中所述供水管111与所述水箱110底部连接，所述回水管114与所述水箱110顶部连接，通过水箱的自身压力加大了出水的效率。
为了保证水箱110中环境稳定，综合考虑了气压、方便使用等工况，本发明的测试仪100还包括设置于所述水箱110底部的泄流阀115、设置于所述水箱110上的液位仪116、设置于所述水箱110顶部的排气管117和注水管119、设置于所述供水管111上的截止阀118。
本发明中的所述土壤换热器130设置在地下的土壤内，如图2所示，将土壤中的热量与水进行充分交换。
本发明中测试仪的使用步骤如下：
1、测试前将设备的供回水管与测试孔的供回水管相连接。
2、通过注水管向水箱中注水，将水箱注满，通过液位计观察水位。
3、开启循环水泵，在电加热未开启前，获取得循环水温度即为测试孔岩土体的初始温度。
4、启动加热棒，设定水箱供水管的温度(一般设为30度)，待设备稳定后记录设备的各种参数，包括水箱的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、设备运行对应的时间、加热棒消耗的电能等。
5、根据所收集的数据，通过专业数据分析软件进行数据分析，从而得到岩土体的热导率。从而算出不同进水温度下单位井深的放热量。
实施例二
本发明基于上述测试仪的实施例，还提供了岩土体热物性测试方法，如图3所示，包括如下步骤：
S1、在所述水箱中注满水，并开启所述水泵，记录所述水箱中循环水的温度，还包括通过调节水泵，设置管内流速不低于0.4m/s。
S2、启动水箱中中加热装置，直至温度稳定在阈值范围内，例如，所述阈值范围为30±5摄氏度，获取所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热装置功率；
S3、根据所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热装置功率分析计算获取土壤的热物性参数。
所述步骤S3具体包括，
S31、利用公式Q＝cm△t获取土壤换热器的散热量Q，其中，c表示水的比热容，m表示质量流量，△t表示变化的温度；
S32、利用公式P＝Q/(T*H)获取每米散热功率P，其中，T为测试时间，H为土壤换热器离地表的深度。
获取加热装置功率的步骤包括获取设备运行时间、加热装置消耗的电能，从而获取加热装置功率，例如，采用公式P＝W/T，P为功率，W为消耗的电能，T为运行时间。
通过测量水温的变化即可获取岩土的热物性。
本发明在实际运用中的示例如下：
表1地埋管散热实验测试数据
实验中流量与管内流速的对应关系为：流量1.6m3/h对应管内流速0.41m/s。
在加热功率、流量恒定的情况下，随着加热时间的增加，每延米散热量逐渐趋于稳定，此时进水温度稳定在30℃左右，回水温度稳定在26℃左右。
本发明中土壤热物性也可通过公式计算，如根据表1中的参数计算过程如下：根据公式：Q＝cm△t计算热量，Q表示热量；，c表示水的比热容(4200J/(kg*℃))，m表示质量流量，△t表示变化的温度；
地埋管的散热量：Q＝cm△t＝4200*1.6*1000*(30-26)＝26880000J
每米地埋管的散热功率：P＝26880000÷3600÷120＝62.2W
根据测试孔的实验结果，在夏季工况下，标准进水、回水温度在30℃、26℃，综合考虑今后场区内的布孔范围、数量，推荐设计方案采用62W/m(双U)的放热量取值；在冬季工况下，尽管工况不同，取其平均值推算，在原始地温为15.5℃，在进U型换热管流体平均温度为7℃的情况下，综合考虑今后场区内的布孔范围、数量，推荐设计方案采用42W/m(双U)的吸热量取值。
推荐计算每延米井深放热量取值为62.0W/延米，吸热量取值为42.0W/延米。
本发明为为地源热泵系统的设计提供了强有力的支持。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，其特征在于，包括水箱、位于所述水箱内的加热装置、与所述水箱连接的供水管、位于供水管上的水泵和流量计、与所述供水管连接的土壤换热器、与所述土壤换热器连接的回水管，所述回水管与所述水箱连接，还包括电控设备和测温探头，所述电控设备与所述加热装置、所述水泵、所述流量计、所述测温探头连接，所述测温探头设置在所述供水管、所述回水管、所述水箱上。
2.根据权利要求1所述的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，其特征在于，所述土壤换热器为单U或双U型埋管。
3.根据权利要求1所述的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，其特征在于，所述供水管与所述水箱底部连接，所述回水管与所述水箱顶部连接。
4.根据权利要求1所述的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，其特征在于，还包括设置于所述水箱底部的泄流阀、设置于所述水箱上的液位仪、设置于所述水箱顶部的排气管、设置于所述供水管上的截止阀。
5.根据权利要求1所述的用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪，其特征在于，所述土壤换热器设置在地下土壤内。
6.一种运用权利要求1～5任一所述用于地源热泵系统的岩土体热物性测试仪的岩土体热物性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在水箱中注满水，并开启水泵，记录所述水箱中循环水的温度；
S2、启动水箱中加热装置，直至温度稳定在阈值范围内，获取所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热棒功率；
S3、根据所述水箱中循环水的温度、供水管温度、回水管温度、管内流量、加热装置功率分析计算获取土壤的热物性参数。
7.根据权利要求6所述的岩土体热物性测试方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括，
S31、利用公式Q＝cm△t获取土壤换热器的散热量Q，其中，c表示水的比热容，m表示质量流量，△t表示变化的温度；
S32、利用公式P＝Q/(T*H)获取每米散热功率P，其中，T为测试时间，H为土壤换热器离地表的深度。
8.根据权利要求6所述的岩土体热物性测试方法，其特征在于，还包括通过调节水泵，设置管内流速不低于0.4m/s。
9.根据权利要求6所述的岩土体热物性测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述阈值范围为30±5摄氏度。
10.根据权利要求6所述的岩土体热物性测试方法，其特征在于，获取加热装置功率的步骤包括获取设备运行时间、加热装置消耗的电能，从而获取加热装置功率。
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