CN110567747B - 一种闭式能源井能量测量仪以及能量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭式能源井能量测量仪以及能量的计算方法，包括水箱、热泵机组、循环水泵、温度传感器、流量传感器及数据处理器。热泵机组具备制冷和制热二种功能，用来控制水箱的水温，并保证其在设计的温度范围内波动。两个温度传感器分别测量水箱出水和回水温度，流量计测量水箱与被测能源井循环水流量。数据处理器可实时记录温度与流量数据，通过计算得出能源井实时释热量或吸热量等参数，每5min自动将上述测量和计算结果推入存储器。通过调整水箱的水温，分别模拟夏季和冬季不同工况，来测量被测能源井的持续释热量或持续吸热量，为地源热泵空调设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及清洁可再生能源开发利用领域，具体涉及地温能(浅层地热能)开发中的一种闭式能源井能量测量仪以及能量的计算方法。
背景技术
地球是个热球，其内核温度约5000℃，其体积的99％在1000℃以上。全球每年从地球内部经地表散逸到大气层的热量相当于1000亿桶石油燃烧的热量，是2018年全球石油开采量的3倍。地球内部的自生热能经过岩土的层层阻隔，在地下数百米处降到25℃以下，这部分低温热能我们称之为地温能(又称浅层地热能)。随着热泵技术的成熟，这部分低品位热能作为空调系统冷/热源，被广泛应用于建筑物的制冷/供暖，成为建筑节能最有效的技术方式，其节能效果得到国内外专家的一致认可，同常规空调相比，地源热泵空调节能约50％。
能源井是用于开采地温能的地下工程构筑物，通过抽取地下水开采地温能的能源井称为开式能源井(又称地下水换热井)，通过封闭水循环开采地温能的能源井称为闭式能源井，如U型管能源井(又称地埋管换热器)、套管式能源井(又称地埋管高效换热器)、水平管能源井等。
开式能源井可以通过抽水试验和测量地下水温度，来计算最大持续吸热量和释热量。闭式能源井尚无统一的测试方法，《地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005》规定了一种闭式能源井--地埋管换热器(U型管换热器)的测试方法，即岩土热响应试验，但该测试方法只能测定释热量，且需借助复杂的计算软件进行全年动态负荷计算，来完成地埋管换热系统的设计，一般设计人员难以掌握。如何准确测量闭式能源井的最大持续吸热量和释热量是地源热泵设计中迫切需要解决的难题。
发明内容
针对上述背景技术中不足，本发明的目的在于提供一种闭式能源井能量测量仪。
为了实现以上目的，采用以下技术方案：
一种闭式能源井能量测量仪，包括水箱、热泵机组、循环水泵、温度传感器、流量传感器及数据处理器；
所述热泵机组用于加热或降低所述水箱的水温，并能自动控制水温在设计的温度范围内波动；通过管道将所述热泵机组与所述水箱一侧连接、并在管道上安装第一循环水泵，用管道连接所述水箱与被测能源井、并在管道上依次安装第二循环水泵、出水温度传感器、回水温度传感器以及流量传感器；所述水箱的出水口与热泵机组安装在同一侧，所述水箱的进水口安装在所述热泵机组的另一侧；所述出水温度传感器、回水温度传感器、流量传感器的信号分别连接到所述数据处理器。
进一步地，所述数据处理器包括控制模块、数据采集模块、数据计算模块、数据存储模块、数据检索模块、数据排列模块以及数据输出模块；
其中，所述数据采集模块，用于实时采集水箱与被测能源井之间循环水流量(M)、水箱出水温度(T1)、水箱回水温度(T2)；
所述数据计算模块，用于按程序指示和要求进行各种算术和逻辑运算，以便得到能源井实时释热量或吸热量的参数信息；
所述数据存储模块，用于将所述数据计算模块计算得到的参数信息数据，每5min自动推入存储器；
所述数据检索模块，用于按用户要求检索查找出相对应的信息；
所述数据排列模块，用于将参数信息数据按一定要求排成次序；
所述数据输出模块，用于输出根据参数信息数据生成的相应的各种文字和数字表格。
进一步地，所述热泵机组具备制冷和制热两种功能，可以是空气源热泵(空气/水型)、水源热泵(水/水型)或地源热泵(水/水型)，并能保证水箱的水温控制在设计的温度范围内波动。
进一步地，所述水箱外部安装保温材料，内部设置隔板，将水箱分为左右两部分，隔板下部设导流孔，使两部分底部连通。
本发明的另一个目的在于，提供一种上述闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，(1)能源井释热量计算公式：
能源井释热量是指能源井在满足机组运行工况要求时散失到岩土中的热量；根据能量守恒定律，能源井散失到岩土中的热能(Q)，等于水箱向能源井输送的热能(Q1)减去系统内储存的水热能(Q2)的增加，即有：Q＝Q1-Q2；
Q1＝CM△T；
Q2＝Cm△t；
则有：Q＝Q1-Q2＝CM△T-Cm△t＝C(M△T-m△t)；
其中：Q为被测能源井释热量，kJ/h；Q1为水箱向能源井输送的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃；Q2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h；
(2)能源井吸热量计算公式：
能源井吸热量是指能源井在满足机组运行工况要求时从岩土中吸收的热量；根据能量守恒定律，能源井从岩土中吸收的热能(R)，等于能源井为水箱提供的热能(R1)加上系统内储存的水热能(R2)的增加，即有：R＝R1+R2；
R1＝CM△T；
R2＝Cm△t；
则有：R＝R1+R2＝CM△T+Cm△t＝C(M△T+m△t)；
其中：R为被测能源井吸热量，kJ/h；R1为能源井为水箱提供的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃；R2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、测量范围更广泛，可以测量各种结构的闭式能源井的释热量和吸热量；
2、测量结果直接，可以直接测量出设计需要的能源井最大持续释热量和吸热量。
3、通过调整水箱的水温，分别模拟夏季和冬季不同工况，来测量被测能源井的持续释热量或持续吸热量，为地源热泵空调设计提供依据。
附图说明
图1为本发明能量测试仪的俯视结构示意图；
图2为本发明能量测试仪的主视结构示意图。
附图说明：1水箱；2热泵机组；3循环水泵；4温度传感器；5流量传感器；6数据处理器；7被测能源井；8钻井；3-1第一循环水泵；3-2第二循环水泵；4-1出水温度传感器；4-2回水温度传感器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
用管道连接本发明的测试仪与被测能源井。被测能源井为PE32单U，孔深100m，并将此参数输入数据处理系统。
实施例1
一种闭式能源井能量测量仪，包括水箱1、热泵机组2、循环水泵3、温度传感器4、流量传感器5及数据处理器6；
所述热泵机组2用于加热或降低所述水箱1的水温、并能自动控制水温在设计的温度范围内波动；通过管道将所述热泵机组2与所述水箱1一侧连接、并在管道上安装第一循环水泵3-1，用管道所述连接水箱1与被测能源井7、并在管道上依次安装第二循环水泵3-2、出水温度传感器4-1、回水温度传感器4-2以及流量传感器5；所述水箱1的出水口与所述热泵机组2安装在同一侧，所述水箱1的进水口安装在所述热泵机组2的另一侧；所述出水温度传感器4-1、回水温度传感器4-2、流量传感器5的信号分别连接到所述数据处理器6。
所述数据处理器6包括控制模块、数据采集模块、数据计算模块、数据存储模块、数据检索模块、数据排列模块以及数据输出模块；
其中，所述数据采集模块，用于实时采集所述水箱1与被测能源井7之间循环水流量(M)、水箱出水温度(T1)、水箱回水温度(T2)；
所述数据计算模块，用于按程序指示和要求进行各种算术和逻辑运算，以便得到能源井实时释热量或吸热量的参数信息；
所述数据存储模块，用于将所述数据计算模块计算得到的参数信息数据，每5min自动推入存储器；
所述数据检索模块，用于按用户要求检索查找出相对应的信息；
所述数据排列模块，用于将参数信息数据按一定要求排成次序；
所述数据输出模块，用于输出根据参数信息数据生成的相应的各种文字和数字表格。
实施例2释热量测量：
(1)将水箱1加满水，开启第一循环泵3-2，并持续补水，直至水箱1水位稳定在设定位置，关闭第一循环泵3-2。
(2)开启热泵机组2，第一循环泵3-1与热泵机组2联动，自动开启。设置机组回水温度为Tx，水箱1内水温达到Tx，热泵机组2自动待机，第一循环泵3-1也随后停止运行。
(3)开启第二循环泵3-2，水箱1水温下降，热泵机组2间隙开启，保持水箱回水温度在Tx±1℃。
(4)开启数据处理器，数据存储模块每5min计算机显示一组数值，包括水箱1与被测能源井7的循环水流量(M)、水箱出水温度(T1)、水箱回水温度(T2)；通过所述数据计算模块计算水箱进出水温差(△T)、水箱回水温度变化率(△t)以及能源井释热量。
能源井释热量计算公式：
能源井释热量是指能源井在满足机组运行工况要求时散失到岩土中的热量；根据能量守恒定律，能源井散失到岩土中的热能(Q)，等于水箱向能源井输送的热能(Q1)减去系统内储存的水热能(Q2)的增加，即有：Q＝Q1-Q2；
Q1＝CM△T；
Q2＝Cm△t；
则有：Q＝Q1-Q2＝CM△T-Cm△t＝C(M△T-m△t)；
其中：Q为被测能源井释热量，kJ/h；Q1为水箱向能源井输送的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃；Q2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h。
(5)当Tx为机组设计要求的最高工作温度，且水箱回水温度变化率小于0.1℃/h时，可以认为能源井达到热平衡状态，此时的释热量约等于被测能源井最大持续释热量，并作为设计依据。
实施例3吸热量测量：
(1)将水箱1加满水，开启第一循环泵3-2，并持续补水，直至水箱1水位稳定在设定位置，关闭第一循环泵3-2。
(2)开启热泵机组2，第一循环泵3-1与热泵机组2联动，自动开启。设置机组出水温度为Td，水箱1内水温达到Td，热泵机组2自动待机，第一循环泵3-1也随后停止运行。
(3)开启第二循环泵3-2，水箱1水温升高，热泵机组2间隙开启，保持水箱回水温度在Td±1℃。
(4)开启数据处理器，数据存储模块每5min计算机显示一组数值，包括水箱1与被测能源井7的循环水流量(M)、水箱出水温度(T1)、水箱回水温度(T2)；通过所述数据计算模块计算水箱进出水温差(△T)、水箱回水温度变化率(△t)以及能源井吸热量。
能源井吸热量计算公式：
能源井吸热量是指能源井在满足机组运行工况要求时从岩土中吸收的热量；根据能量守恒定律，能源井从岩土中吸收的热能(R)，等于能源井为水箱提供的热能(R1)加上系统内储存的水热能(R2)的增加，即有：R＝R1+R2；
R1＝CM△T；
R2＝Cm△t；
则有：R＝R1+R2＝CM△T+Cm△t＝C(M△T+m△t)；
其中：R为被测能源井吸热量，kJ/h；R1为能源井为水箱提供的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃；R2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h。
(5)当Td为机组设计要求的最低工作温度，且水箱回水温度变化率小于0.1℃/h时，可以认为能源井达到热平衡状态，此时的吸热量约等于被测能源井最大持续吸热量，并作为设计依据。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (4)
1.一种闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，其特征在于，所述闭式能源井能量测量仪包括水箱（1）、热泵机组（2）、循环水泵（3）、温度传感器（4）、流量传感器（5）及数据处理器（6）；
所述热泵机组（2）用于加热或降低所述水箱（1）的水温、并能自动控制水温在设计的温度范围内波动；通过管道将所述热泵机组（2）与所述水箱（1）一侧连接、并在管道上安装第一循环水泵（3-1），用管道连接所述水箱（1）与被测能源井（7）、并在管道上依次安装第二循环水泵（3-2）、出水温度传感器（4-1）、回水温度传感器（4-2）以及流量传感器（5）；所述水箱（1）的出水口与所述热泵机组（2）安装在同一侧，所述水箱（1）的进水口安装在所述热泵机组（2）的另一侧；所述出水温度传感器（4-1）、回水温度传感器（4-2）、流量传感器（5）的信号分别连接到所述数据处理器（6）；
闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，包括如下步骤：
（1）能源井释热量计算公式：
能源井释热量是指能源井在满足机组运行工况要求时散失到岩土中的热量；根据能量守恒定律，能源井散失到岩土中的热能（Q），等于水箱向能源井输送的热能（Q1）与减去系统内储存的水热能（Q2）的增加，即有：Q=Q1-Q2 ；
Q1=CM△T ；
Q2=Cm△t ；
则有：Q=Q1-Q2 =CM△T- Cm△t= C（M△T- m△t） ；
其中：Q为被测能源井释热量，kJ/h；Q1为水箱向能源井输送的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃； Q2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h ；
（2）能源井吸热量计算公式：
能源井吸热量是指能源井在满足机组运行工况要求时从岩土中吸收的热量；根据能量守恒定律，能源井从岩土中吸收的热能（R），等于能源井为水箱提供的热能（R1）加上系统内储存的水热能（R2）的增加，即有：R=R1+R2；
R1=CM△T ；
R2=Cm△t ；
则有：R=R1+R2 =CM△T+Cm△t= C（M△T+m△t） ；
其中：R为被测能源井吸热量，kJ/h；R1为能源井为水箱提供的热能，kJ/h；C为水的比热容，常数，为4.2kJ/kg.℃；M为水箱与被测能源井之间循环水流量，kg/h；△T为水箱进出水温差，℃； R2为系统内储存的水单位时间内热量的变化，kJ/h；m为系统内储存的水的质量，kg；△t为水箱回水温度变化率，增加为正，减少为负，℃/h 。
2.根据权利要求1所述的一种闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，其特征在于：所述数据处理器（6）包括控制模块、数据采集模块、数据计算模块、数据存储模块、数据检索模块、数据排列模块以及数据输出模块；
其中，所述数据采集模块，用于实时采集所述水箱（1）与被测能源井（7）之间循环水流量（M）、水箱出水温度（T1）、水箱回水温度（T2）；
所述数据计算模块，用于按程序指示和要求进行各种算术和逻辑运算，以便得到能源井实时释热量或吸热量的参数信息；
所述数据存储模块，用于将所述数据计算模块计算得到的参数信息数据，每5min自动推入存储器；
所述数据检索模块，用于按用户要求检索查找出相对应的信息；
所述数据排列模块，用于将参数信息数据按一定要求排成次序；
所述数据输出模块，用于输出根据参数信息数据生成的相应的各种文字和数字表格。
3.根据权利要求1所述的一种闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，其特征在于：所述热泵机组（2）具备制冷和制热两种功能，可以是空气源热泵、水源热泵或地源热泵，并能保证所述水箱（1）的水温控制在设计的温度范围内波动。
4.根据权利要求1所述的一种闭式能源井能量测量仪进行能量测量的计算方法，其特征在于：所述水箱（1）外部安装保温材料，内部设置隔板，将水箱分为左右两部分，隔板下部设导流孔，使两部分底部连通。
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