CN109632872A - 一种基于热电制冷装置的热响应测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于热电制冷装置的热响应测试系统及方法，其中，该热响应测试系统包括埋管换热器，测试装置，其与所述埋管换热器联通以形成测试回路；热电制冷装置，其与所述测试装置的换热单元能够进行热交换；数据采集单元，其与所述测试装置相电接。本发明的热响应测试系统获得准确性高的地下岩土体的导热系数等热物性参数，通过本发明的测试方法提高测试结果的准确性。

Description

一种基于热电制冷装置的热响应测试系统及方法

技术领域

本发明涉及热能响应领域，尤其涉及基于热电制冷装置的热响应测试系统及方法。

背景技术

地温能是目前阶段能源利用开发的重要资源，浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度(小于200M)范围内的岩土体，地下水和地表水中，具有开发利用价值的低于25摄氏度的热能，地温能的勘探和测试，需要通过完善的设备进行勘探，并且每100平方千米调查区应不少于3个勘查孔，每个勘查孔分别进行现场采样及热响应试验，目前传统的热响应试验有恒热流法，目的是获取岩土体热物性，包括岩土体导热系数、密度及比热等，恒温法是测得循环水流经下埋管前后的温度、压差、流量，进而得到测孔的换热量。

地源热泵系统由于其节能和环保特性，近年来得到了广泛的应用。但是对其设计有着重大影响的岩土体热物性参数在热响应测试中仍存在诸多问题，诸如测试岩土体热物性参数不准确的缺陷。

在地源热泵系统设计中，通常采用稳定热流热响应试验计算岩土综合热物性参数，这种试验是测试系统向地埋管换热器提供恒定热量，通过监测地埋管换热器的进、出水温度和流量等数据，利用传热模型计算岩土体平均导热系数等热物性参数。现有技术中，由于原位热响应测试设备普遍存在体积过大，不宜携带，拆装不便，对水电要求过高的缺点，导致经常出现因场地无法满足上述测试条件，被迫调整方案，进而无法获取项目地准确的测试结果。

地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，该部件会影响到整个系统安全高效运行，因此需要对地埋管深度范围内的综合岩土导热系数、综合比热容、土壤温度、埋管井综合热阻等进行测试。但是由于地质结构的复杂性和差异性，这些物性参数的测量具有较大难度，需要通过热响应测试技术获得。地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2009)规定，地源热泵系统应用面积在3000m²以上时，应至少设置1个测试孔进行岩土热响应测试；应用面积大于10000m²时，测试孔数量不应少于2个。研究表明，若土壤热导率测试结果存在10％的偏差，将使地埋管换热器设计尺寸偏差达4.5～5.8％；若地埋管实际长度超过需要的10％～30％足以使地源热泵丧失经济优势。

根据实际测试的统计，实际的测试结果由于设备的精度、现场测试条件、测试者的水平等因素，导致测试数据的准确度不高，同时有没有同时校核的装置对数据进行同步校核，导致测试数据只能作为设计的参考数据。

为克服现有技术中的缺陷，本发明提出了一种基于热电制冷装置的热响应测试系统及方法，目的在于能够实现提高岩土体热物性参数的测试结果的准确性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明目的在于克服现有技术中的缺陷并能够达到提高岩土体热物性参数的测试结果的准确性的技术效果。

为实现上述效果，本发明提出了一种新型的基于热电制冷装置的热响应测试系统，本发明的热响应测试系统通过增加热电制冷装置来提高测试结果的准确性。

为实现上述目的，本发明提出的基于热电制冷装置的热响应测试系统包括：

埋管换热器，

测试装置，其与所述埋管换热器联通以形成测试回路；

热电制冷装置，其与所述测试装置的换热单元能够进行热交换；

数据采集单元，其与所述测试装置相电接。

如上所述的热响应测试系统，其中，所述测试装置构造成具有第一测试循环管路，其中，所述第一测试循环管路具有通过第一换热单元相连通的第一支路和第二支路，所述第一支路与所述埋管换热器的第一进液口相连通，所述第二支路与所述埋管换热器的第一出液口相连通。

如上所述的热响应测试系统，其中，所述测试装置构造成还具有第二测试循环管路，其中，所述第二测试循环管路具有通过第二换热单元相连通的第三支路和第四支路，所述第三支路与所述埋管换热器的第二进液口相连通，所述第四支路与所述埋管换热器的第二出液口相连通。

如上所述的热响应测试系统，其中，所述第一换热单元和所述第二换热单元相对设置，所述热电制冷装置设置于所述第一换热单元和所述第二换热单元之间。

如上所述的热响应测试系统，其中，所述第一支路上从左至右依次设有阀门、排气阀、温度传感器、补水水箱及过滤器、循环水泵以及温度传感器，所述第二支路上从左至右依次设有阀门、温度传感器、流量计、压力传感器以及温度传感器，各温度传感器与所述压力传感器均与所述数据采集单元电连接。

如上所述的热响应测试系统，其中，所述第三支路上从左至右依次设有阀门、排气阀、温度传感器、补水水箱及过滤器、循环水泵以及温度传感器，所述第四支路上从左至右依次设有阀门、温度传感器、流量计、压力传感器以及温度传感器，各温度传感器与所述压力传感器均与所述数据采集单元电连接。

在本发明的一种新型的基于热电制冷装置的热响应测试系统中，根据热电制冷装置的特性，测试装置可以设计为具备两套循环管路，从而实现能够同时输出热量和冷量，对两个测试孔同时进行夏季制冷工况及冬季供暖工况的测试。两个循环管路通过水泵、过滤器、电磁流量计、若干温度传感器、压力传感器及管道将热电制冷设备的冷端及热端与测试孔中的埋管换热器联通形成测试回路，从而能够高效地实现同时进行夏季制冷工况及冬季供暖工况的测试。

本发明的基于热电制冷装置的热响应测试系统通过热电制冷装置能够减少各种不利因素对热响应测试的影响，从而提高测试结果的准确性。

本发明还提出了一种使用如上所述的热响应测试系统进行的热响应测试方法，其中，所述测试方法包括步骤：

S1)：将埋管换热器和测试装置的循环管道相连以形成封闭管路，只打开循环水泵，待所述埋管换热器的进口和出口水温稳定之后，以所述进口和出口的平均温度作为测试深度内岩土体的初始温度；

S2)开启测试装置的换热单元，持续运行第一时间，并使用数据采集单元采集循环水的相关数据；

S3)根据采集到的循环水的相关数据，判断所述测试装置的输出功率是否稳定，若所述输出功率稳定，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数；若所述输出功率不稳定，则开启热电制冷装置，直至所述输出功率稳定为止，待所述输出功率稳定，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数。

如上所述的热响应测试方法，其中，在步骤S3)中，计算地下岩土体的热物性参数包括步骤：

S31)：设定热物性参数的初始试探值；

S32)：利用模型计算出埋管换热器的进口和出口的平均温度，求出计算出的所述平均温度与测量的平均温度之间的方差和；

S33)判断所述方差和是否最小，若所述方差和最小，则输出最终的热物性参数的计算值；若所述方差和不是最小，则修正步骤S31)中的初始试探值并重复步骤S32)，直至所述方差和最小，并输出最终的热物性参数的计算值。

如上所述的热响应测试方法，其中，所述模型为变热流圆柱热源模型。

如上所述的热响应测试方法，其中，所述热流圆柱热源模型为在常热流传热模型的基础上利用叠加原理将某计算时刻以前各时间段埋管换热器换热量对无穷远处岩土体与热交换孔壁之间的温差ΔTg的作用进行叠加。

本发明研制了一种新型的基于热电制冷技术的热响应测试方法，在常热流传热模型(线热源模型或圆柱热源模型，它们都是模拟分析无限大均匀介质中，无限长热源的换热过程的解析法模型。区别仅在于线热源模型忽略了埋管换热器在径向方向上的几何尺寸，让其简化为无限长的线型热源，而圆柱热源模型则是在线热源模型的基础上，考虑了埋管换热器的截面尺寸对换热的影响，将其简化为具有一定半径的无限长圆柱型热源)的基础上利用叠加原理(将某计算时刻以前各时间段埋管换热器换热量对无穷远处岩土体与热交换孔壁之间的温差ΔTg的影响都叠加到该计算时刻)进行变热流传热模型的研究并编写相关计算程序，其中，选择变热流圆柱热源模型作为计算模型，热影响主导期确定30min，参数估计法中应用较为广泛的最小二乘法作为参数反推方法，利用matlab软件编制热响应测试数据处理程序，将该热响应测试数据处理程序应用到计算机，从而形成热响应测试数据处理模块，根据数据采集单元采集到的各项数据，从而得出相应的热物性参数，通过本发明的测试方法能够减少各种不利因素对热响应测试的影响，提高测试结果的准确性。

本发明从测试系统元件的构成(也可简称为硬件)及软件两个方面减少各种不利因素对热响应测试的影响，提高测试结果的准确性，也即本发明研制了一种新型的基于热电制冷技术的热响应测试系统，同时在常热流传热模型的基础上利用叠加原理进行变热流传热模型的研究并编写相关计算程序，从硬件及软件两个方面减少各种不利因素对热响应测试的影响，提高测试结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于热电制冷装置的热响应测试系统的示意图；

图2为本发明的热响应测试方法的流程图；以及

图3为本发明的计算热物性参数的流程图。

附图标记：

1-埋管换热器；

2-测试装置；

3-热电制冷装置；

21-换热单元；

22-第一测试循环管路；

23-第一换热单元；

221-第一支路；

222-第二支路；

24-第二测试循环管路；

25-第二换热单元；

241-第三支路；

242-第四支路；

223-阀门；

224-排气阀；

225-温度传感器；

226-补水水箱及过滤器；

227-循环水泵；

228-温度传感器；

229-流量计；

230-压力传感器。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1至图3分别为本发明的基于热电制冷装置的热响应测试系统的示意图、本发明的热响应测试方法的流程图以及本发明的计算热物性参数的流程图。

如图1所示，本发明的基于热电制冷装置的热响应测试系统包括：埋管换热器1、测试装置2、热电制冷装置3以及数据采集单元(未示出)，其中，测试装置2与埋管换热器1联通以形成测试回路，热电制冷装置3与测试装置2的换热单元21能够进行热交换，数据采集单元与测试装置2相电接，从而将测试装置2在导热系数等热物性参数的测试过程中的相关数据传输至数据采集单元中。

具体地，在一实施例中，测试装置2构造成具有第一测试循环管路22，其中，第一测试循环管路22具有通过第一换热单元23相连通的第一支路221和第二支路222，第一支路221与埋管换热器1的第一进液口相连通，第二支路222与埋管换热器1的第一出液口相连通，从而形成第一测试循环管路22。

进一步地，在一具体实施例中，测试装置2构造成还具有第二测试循环管路24，其中，第二测试循环管路24具有通过第二换热单元25相连通的第三支路241和第四支路242，第三支路241与埋管换热器1的第二进液口相连通，第四支路242与埋管换热器1的第二出液口相连通，从而形成了第二测试管路24。即在本实施例中，根据热电制冷装置3的特性，测试装置2设计为具备两套循环管路，从而实现能够同时输出热量和冷量，对两个测试孔同时进行夏季制冷工况及冬季供暖工况的测试。两个循环管路通过水泵、过滤器、电磁流量计、若干温度传感器、压力传感器及管道将热电制冷设备的冷端及热端与测试孔中的埋管换热器联通形成测试回路。

具体地，在一实施例中，第一支路221上从左至右(即从图1的左侧向右侧的方向)依次设有阀门223、排气阀224、温度传感器225、补水水箱及过滤器226、循环水泵227以及温度传感器228，第二支路222上从左至右依次设有阀门223、温度传感器225、流量计229(如电磁流量计)、压力传感器230以及温度传感器225，各温度传感器225与压力传感器230均与数据采集单元电连接，此外，上述部件中的其中一个或多个均可以与数据采集单元电连接，从而将上述部件中的一个或多个测量的数据传输并存储至数据采集单元。

类似地，第三支路241上从左至右也依次设有阀门223、排气阀224、温度传感器225、补水水箱及过滤器226、循环水泵227以及温度传感器228，以及第四支路242上从左至右也依次设有阀门223、温度传感器225、流量计229(如电磁流量计)、压力传感器230以及温度传感器225，上述的各温度传感器225与压力传感器230均与数据采集单元电连接，当然，上述部件中的其中一个或多个均可以与数据采集单元电连接，从而将上述部件中的一个或多个测量的数据传输并存储至数据采集单元，通过传感器将信息传递给数据采集单元，并经过数据采集单元计算出循环水流经埋管换热器前后的温度、压差、流量，进而得到测孔的换热量，并根据换热量计算出岩土体的导热系数等热物性参数。

进一步地，在一具体实施例中，第一换热单元23(例如也可称为换热器)和第二换热单元25相对设置，热电制冷装置3设置于第一换热单元23和第二换热单元25之间，从而使得本发明的基于热电制冷装置的热响应测试系统结构紧凑，占用空间小的优点。

当然，本发明还可以在第一支路221、第二支路222、第三支路241以及第四支路242中的任意一个支路或多个支路上设置一个或多个阀门223、排气阀224、温度传感器225、补水水箱及过滤器226、循环水泵227、温度传感器228、流量计229(如电磁流量计)和/或压力传感器230，并且各个传感器均与数据采集单元相电接(即将传感器测定的数据传输至数据采集单元上)，例如，可以在第一支路221、第二支路222、第三支路241以及第四支路242中的任意一个支路或多个支路上设置一个或多个压力传感器230，具体地，如在第二支路222和第四支路242的流量计229的两侧分别设有压力传感器230，或者也可以在第二支路222和第四支路242上设置如图1所示的压力传感器230基础上，在第一支路221和/或第三支路241的补水水箱及过滤器226和循环水泵227之间、或温度传感器225和补水水箱及过滤器226之间和/或循环水泵227和温度传感器228之间设置压力传感器230。

阀门223、排气阀224、温度传感器225、补水水箱及过滤器226、循环水泵227、温度传感器228、流量计229(如电磁流量计)和/或压力传感器230在第一支路221、第二支路222、第三支路241以及第四支路242的设置方式和数量并不局限于上述描述的设置方式，只要能够实现经过数据采集单元计算出循环水流经埋管换热器前后的温度、压差、流量，进而得到测孔的换热量，并根据换热量计算出岩土体的导热系数等热物性参数的技术效果即可。

如图2和图3所示，本发明还提出了一种使用上述热响应测试系统进行的热响应测试方法，其中，该测试方法包括如下步骤：

S1)：将埋管换热器和测试装置的循环管道相连以形成封闭管路，只打开循环水泵，待埋管换热器的进口和出口(也可简称为进出水口)水温稳定之后，以进口和出口的平均温度作为测试深度内岩土体的初始温度；

S2)开启测试装置的换热单元，持续运行第一时间，并使用数据采集单元采集循环水的相关数据；

S3)根据采集到的循环水的相关数据，判断测试装置的输出功率是否稳定，若输出功率稳定，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数；若输出功率不稳定，则开启热电制冷装置，直至输出功率稳定为止，待输出功率稳定后，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数。

如图3所示，在一具体实施例中，在上述步骤S3)中，计算地下岩土体的热物性参数包括步骤：

S31)：设定热物性参数的初始试探值；

S32)：利用模型计算出埋管换热器的进口和出口的平均温度，求出计算出的平均温度与测量的平均温度之间的方差和；

S33)判断方差和是否最小，若所述方差和最小，则输出最终的热物性参数的计算值；若所述方差和不是最小，则修正步骤S31)中的初始试探值(即修正热物性参数)并重复步骤S32)，直至方差和最小，并输出最终的热物性参数的计算值。

在一具体实施例中，上述模型为变热流圆柱热源模型。具体地，变热流圆柱热源模型为在常热流传热模型的基础上利用叠加原理将某计算时刻以前各时间段埋管换热器换热量对无穷远处岩土体与热交换孔壁之间的温差ΔTg的作用进行叠加，通过该变热流圆柱热源模型，可以实现测试结果的准确性。

在本发明的一具体实施例中，首先，将埋管换热器和测试装置的循环管道相连形成封闭管路，然后只开启循环水泵，待埋管换热器进出口水温稳定之后(一般需循环数小时)，以进出口平均温度作为测试深度内岩土体的初始温度；

第二，据测试工况开启测试装置的热源或者冷源，持续运行较长时间(根据地层性质不同一般不小于48h)后，数据采集单元采集到循环水相关数据；

第三，判断测试装置输出功率稳定性，若稳定则输出稳定的热量和冷量，若不稳定则通过热电制冷装置，使得测试装置输出功率稳定为止，测试数据输出稳定以后，通过上述的变热流圆柱热源模型(也可称为变热流圆柱热源模型数据处理程序)进行数据处理，获得地下岩土体的导热系数等热物性参数。

即本发明研制了一种新型的基于热电制冷技术的热响应测试设备，同时在常热流传热模型(线热源模型或圆柱热源模型，它们都是模拟分析无限大均匀介质中，无限长热源的换热过程的解析法模型。区别仅在于线热源模型忽略了埋管换热器在径向方向上的几何尺寸，让其简化为无限长的线型热源，而圆柱热源模型则是在线热源模型的基础上，考虑了埋管换热器的截面尺寸对换热的影响，将其简化为具有一定半径的无限长圆柱型热源。)的基础上利用叠加原理(将某计算时刻以前各时间段埋管换热器换热量对无穷远处岩土体与热交换孔壁之间的温差ΔTg的影响都叠加到该计算时刻)进行变热流传热模型的研究并编写相关计算程序(选择变热流圆柱热源模型作为计算模型，热影响主导期确定30min，参数估计法中应用较为广泛的最小二乘法作为参数反推方法，利用matlab软件编制热响应测试数据处理程序，将该热响应测试数据处理程序应用到计算机从，从而形成热响应测试数据处理模块)，本发明从测试系统元件的构成(也可简称为硬件)及软件两个方面减少各种不利因素对热响应测试的影响，提高测试结果的准确性，也即本发明研制了一种新型的基于热电制冷技术的热响应测试系统，同时在常热流传热模型的基础上利用叠加原理进行变热流传热模型的研究并编写相关计算程序，从硬件及软件两个方面减少各种不利因素对热响应测试的影响，提高测试结果的准确性。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热电制冷装置的热响应测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：

埋管换热器，

测试装置，其与所述埋管换热器联通以形成测试回路；

热电制冷装置，其与所述测试装置的换热单元能够进行热交换；

数据采集单元，其与所述测试装置相电接。

2.根据权利要求1所述的热响应测试系统，其特征在于，所述测试装置构造成具有第一测试循环管路，其中，所述第一测试循环管路具有通过第一换热单元相连通的第一支路和第二支路，所述第一支路与所述埋管换热器的第一进液口相连通，所述第二支路与所述埋管换热器的第一出液口相连通。

3.根据权利要求2所述的热响应测试系统，其特征在于，所述测试装置构造成还具有第二测试循环管路，其中，所述第二测试循环管路具有通过第二换热单元相连通的第三支路和第四支路，所述第三支路与所述埋管换热器的第二进液口相连通，所述第四支路与所述埋管换热器的第二出液口相连通。

4.根据权利要求3所述的热响应测试系统，其特征在于，所述第一换热单元和所述第二换热单元相对设置，所述热电制冷装置设置于所述第一换热单元和所述第二换热单元之间。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的热响应测试系统，其特征在于，所述第一支路上从左至右依次设有阀门、排气阀、温度传感器、补水水箱及过滤器、循环水泵以及温度传感器，所述第二支路上从左至右依次设有阀门、温度传感器、流量计、压力传感器以及温度传感器，各温度传感器与所述压力传感器均与所述数据采集单元电连接。

6.根据权利要求3或4所述的热响应测试系统，其特征在于，所述第三支路上从左至右次设有阀门、排气阀、温度传感器、补水水箱及过滤器、循环水泵以及温度传感器，所述第四支路上从左至右依次设有阀门、温度传感器、流量计、压力传感器以及温度传感器，各温度传感器与所述压力传感器均与所述数据采集单元电连接。

7.一种使用如权利要求1至6中任一项所述的热响应测试系统进行的热响应测试方法，其特征在于，所述测试方法包括步骤：

S1)：将埋管换热器和测试装置的循环管道相连以形成封闭管路，只打开循环水泵，待所述埋管换热器的进口和出口水温稳定之后，以所述进口和出口的平均温度作为测试深度内岩土体的初始温度；

S2)开启测试装置的换热单元，持续运行第一时间，并使用数据采集单元采集循环水的相关数据；

S3)根据采集到的循环水的相关数据，判断所述测试装置的输出功率是否稳定，若所述输出功率稳定，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数；若所述输出功率不稳定，则开启热电制冷装置，直至所述输出功率稳定为止，待所述输出功率稳定，则输出测试装置的稳定的热量或冷量，并计算地下岩土体的热物性参数。

8.根据权利要求7所述的热响应测试方法，其特征在于，在步骤S3)中，计算地下岩土体的热物性参数包括步骤：

S31)：设定热物性参数的初始试探值；

S32)：利用模型计算出埋管换热器的进口和出口的平均温度，求出计算出的所述平均温度与测量的平均温度之间的方差和；

S33)判断所述方差和是否最小，若所述方差和最小，则输出最终的热物性参数的计算值；若所述方差和不是最小，则修正步骤S31)中的初始试探值并重复步骤S32)，直至所述方差和最小，并输出最终的热物性参数的计算值。

9.根据权利要求8所述的热响应测试方法，其特征在于，所述模型为变热流圆柱热源模型。

10.根据权利要求9所述的热响应测试方法，其特征在于，所述热流圆柱热源模型为在常热流传热模型的基础上利用叠加原理将某计算时刻以前各时间段埋管换热器换热量对无穷远处岩土体与热交换孔壁之间的温差ΔTg的作用进行叠加。