专利名称：基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法
技术领域：
本发明涉及一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法。
背景技术：
地源热泵系统与其它空气调节系统相比优点突出。由于地层深处温度常年维持不变，远远高于冬季的室外温度，而又明显低于夏季室外温度，因此地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，效率有很大的提高，节能效果明显。另外还具有低噪音、占地面积少、不排放污染物、不用抽取地下水、运行及维护费用低、寿命长等许多优点。
设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要，也可能规模过大，从而加大初投资。确定地下岩土物性参数的传统方法是首先根据钻孔时取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过查有关手册确定导热系数。然而地下地质结构构成复杂，即使同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而在地源热泵系统的造价中也会产生相当大的偏差。另外，不同的封井材料，埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。但是由于以往的工程实践中很少涉及这样的问题，既缺乏这方面数据的积累，也缺乏现成的测试方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前在地源热泵系统的设计中对地下岩土热物性参数测量不准确的问题，提供一种具有结构紧凑，便于携带，可方便准确的现场对地下岩土的热物性参数进行测量的基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，I、至少一个流量传感器、至少一个排气装置I、至少一个循环水泵、至少一个排气装置II、至少一个电加热器；在管道出口端B设置至少一个温度传感器II；流量传感器、温度传感器I与监控系统连接；电压传感器、温度传感器II与监控系统连接；电加热器经监控系统与供电电源相连。
所述监控系统包括仪表系统，仪表系统组成为包括单片机通过系统I/O口与数据存储器、RS232串口通讯、时钟电路、LCD显示器及键盘、A/D模数转换器、打印机、流量传感器、温度传感器、电压传感器、开关量输出相连接；另为系统提供配套电源及风扇。
所述监控系统还包括操作控制系统，其组成为；它包括220V交流电源，该电源经过流保险1A与仪表开关K1、仪表电源连接；同时水泵电源经水泵开关K2与仪表电源并联；接触器JQ与热继电器RJ、控制继电器KJ串联后经加热器开关K3与水泵电源并联；仪表电源上并联指示灯D1、水泵电源上并联指示灯D2、接触器JQ上并联指示灯D3；同时电源还经过流保险15A、接触器JQ开关与电加热器连接，电加热器与电压传感器输入端连接。
所述流量传感器型号为LWGY-15涡轮流量传感器，用以产生与流量值相对应的脉冲信号；温度传感器I和温度传感器II的型号为BSWB-01，其输出与温度0-100℃相对应的4-20MA的标准电流信号；电加热器的加热管为额定功率为3000瓦的热阻型加热管；循环水泵型号为15PLBR 14-4。
所述仪表系统中的A/D模数转换通道型号为TLC2543的具有11个通道的12位模数转换芯片，它接收各路温度传感器变送传来的电流信号，实行滤波和I/V变换，然后进行模数转换；以及接收电压传感器变送传来的电压信号，进行模数转换；得到的数字信号提供给单片机进行处理；通讯电路芯片型号为MAX232，它组成标准的RS232接口电路，用于与上位机传输测试数据；单片机为型号为AT89C52具有内部程序存储器的CPU，它控制整个系统的工作，其内部的程序存储器存放工作程序和参数，内部RAM作为系统的寄存器区、标志区和打印、显示缓冲区；其通过I/O端口与仪表系统的芯片及电路连接，达到监控目的；数据存储器型号为FM24C256，用于存放测试数据，数据存储器存储的测试数据在系统停电后不丢失；时钟电路芯片型号为DS1302，用于为系统提供精确的绝对时钟；开关量输出电路芯片型号为74HC07、4N25，用于驱动控制继电器，从而达到控制加热器工作状态的目的；LCD电路组件型号为OCMJ2X10C，用于即时显示测试数据；打印机型号为MP-D16-8，用于定时、随时打印测试数据。
一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的测试方法，在已钻好的钻孔中埋设导管其内灌装流体，并按设计要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分别与现场埋设的管道相连；流体由定压补水箱系统进入且充满管道，管道中的气体由排气装置排出后，关闭排气装置，然后依次开启控制开关K1、K2、与K3；仪器正常工作状态时，温度传感器I采集温度信号T1，流量传感器采集其流量信号；然后流体通过循环泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号T2由传感器II采集后，再从管道出口输入到埋置于深层岩土中的导管内，其导管内加热了的流体与岩土进行了热交换后，又从测试仪管道入口返回到测试仪内，形成封闭的循环；电压传感器采集的施加于电加热器上的电源电压和电加热器的固有电阻确定了加热功率；在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数。
进行参数估算时按公式f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，调整后的热物性参数数值即是所求的结果，其中Tcal，i为第i时刻由模型计算出的导管中流体的平均温度；Texp，i为第i时刻实际测量的导管中流体的平均温度；N为实验测量数据的组数。
本发明测试仪器由流量传感器、电压传感器、温度传感器、水泵、电加热器、管道、定压补水箱系统、排气装置和监控系统等组成，由于地下岩土的导热系数等无法直接测量，只能通过测量温度、热流等相关参数进行反推。在已钻好的钻孔中埋设导管并按设计要求回填，该钻孔中的导管将来可以作为地热换热器的一个支路使用，回路中充满水，让水在回路中循环流动，自某一时刻起对水连续加热相当长的时间(数天)，并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，最后根据已知的数据推算出钻孔周围岩土的平均热物性参数。
本发明的有益效果为仪器结构紧凑、便于携带，现场运行稳定、测试数据准确，利于研究、开发地源热泵空调系统并使之产业化，有可能成为我国经济发展的一个新的增长点。因此，便携式岩土热物性测试仪的应用前景很好。
图1为本发明的测试仪结构框图；图2为测试仪监控系统的仪表系统框图；图3为测试时间对测试结果的影响图；图4为管子间距对测试结果的影响图；
图5为测试仪监控系统中操作控制系统的电气原理框图。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1中，由于泵的作用，流体由A口进入，温度传感器I采集温度信号T1，流量传感器采集其流量信号，流体通过循环泵后，由电加热器加热，循环泵两侧设置排气装置I和排气装置II，加热的流体温度信号T2由传感器采集后，再从B口输入到埋置于岩土中的导管内，其导管内加热了的流体与岩土进行了热交换后，又从A口返回到仪器内，形成封闭的循环。电压传感器采集的施加于电加热器上的电源电压和电加热器的固有电阻确定了加热功率。在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数，达到检测目的。
图2给出了测试仪的仪表系统结构，包括单片机通过系统I/O口与数据存储器、RS232串口通讯、时钟电路、LCD显示器及键盘、A/D模数转换器、打印机、流量传感器、温度传感器、电压传感器、开关量输出相连接；另为系统提供配套电源及风扇。
各路温度传感器变送传来的电流信号，在进行滤波和I/V变换后，以及由电压传感器变送传来的电压信号，由TLC2543进行模数转换，TLC2543具有11个通道的12位模数转换芯片，它接收各路温度传感器变送传来的电流信号，实行滤波和I/V变换，然后进行模数转换；以及接收电压传感器变送传来的电压信号，进行模数转换；得到的数字信号提供给单片机进行处理。
其通讯电路芯片型号为MAX232，它组成标准的RS232接口电路，用于与上位机传输测试数据。
单片机为型号为AT89C52具有内部程序存储器的CPU，它控制整个系统的工作，其内部的程序存储器存放工作程序和参数，内部RAM作为系统的寄存器区、标志区和打印、显示缓冲区；其通过I/O端口与仪表系统的芯片及电路连接，达到监控目的。
数据存储器型号为FM24C256，用于存放测试数据，数据存储器存储的测试数据在系统停电后不丢失。
时钟电路芯片型号为DS1302，用于为系统提供精确的绝对时钟。
开关量输出电路芯片型号为74HC07、4N25，用于驱动控制继电器，从而达到控制加热器工作状态的目的；LCD电路组件型号为OCMJ2X10C，用于即时显示测试数据；打印机型号为MP-D16-8，用于定时、随时打印测试数据。
图5给出了测试仪的操作控制系统电气原理图，其组成为它包括220V交流电源，该电源经过流保险1A与仪表开关K1、仪表电源连接；同时水泵电源经水泵开关K2与仪表电源并联；接触器JQ与热继电器RJ、控制继电器KJ串联后经加热器开关K3与水泵电源并联；仪表电源上并联指示灯D1、水泵电源上并联指示灯D2、接触器JQ上并联指示灯D3；同时电源还经过流保险15A、接触器JQ开关与电加热器连接，电加热器与电压传感器输入端连接。
其中，过流保险1A是操作控制系统的；过流保险15A是加热器的，K1是控制仪表系统电源的开关，同时，也控制循环水泵、电加热器的开启；K2是控制循环水泵电源的开关，同时也控制电加热器的开启；K3是控制电加热器电源的开关；KJ是由仪表系统控制的继电器；RJ是起到热保护的继电器；JQ是给加热器供电的接触器；D1、D2、D3是各个环节工作的指示灯。
本发明测试仪的测试方法为在已钻好的钻孔中埋设导管其内灌装流体，并按设计要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分别与现场埋设的管道相连；流体由定压补水箱系统进入且充满管道，管道中的气体由排气装置排出后，关闭排气装置，然后依次开启控制开关K1、K2、与K3。仪器正常工作状态时，温度传感器I采集温度信号T1，流量传感器采集其流量信号；然后流体通过循环泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号T2由传感器II采集后，再从管道出口输入到埋置于深层岩土中的导管内，其导管内加热了的流体与深层岩土进行了热交换后，又从测试仪管道入口返回到测试仪内，形成封闭的循环。电压传感器采集的施加于电加热器上的电源电压和电加热器的固有电阻确定了加热功率。在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数。即通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>取得最小值时，调整后的热物性参数数值即是所求的结果。其中Tcal，i为第i时刻由模型计算出的导管中流体的平均温度；Texp，i为第i时刻实际测量的导管中流体的平均温度；N为实验测量数据的组数。
实施例在钻孔孔径115mm，深度60m，埋管内径25mm、外径32mm，管间距70mm，地下岩土初始温度14.5℃，管壁导热系数为0.33W/m℃，钻孔回填材料导热系数1.5W/m℃，加热功率48W/m时。
由图3可以看出，测试时间不同，计算出的钻孔周围地下岩土的平均导热系数不同。约当测试时间达到50小时后，测出的导热系数趋于稳定，维持在1.530～1.538W/m℃范围之间。通常测试时间可以选取60小时左右，这样既可以保证获得正确的导热系数，又可以避免测试时间过长。
维持其它条件不变，只改变导管上升管与下降管之间的间距，其对计算的岩土导热系数的影响见图4。当管间距变化约0.01m，计算出的导热系数变化约4～8％。由图中可以看出，间距越大，计算出的导热系数越小，这是由于间距越大，钻孔内的热阻越小，在总热阻不变的情况下，周围岩土的导热热阻大；即导热系数小。
权利要求
1.一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，其特征是它包括管道，在管道入口端A设置至少一个定压补水箱；其后依次设置至少一个温度传感器I、至少一个流量传感器、至少一个排气装置I、至少一个循环水泵、至少一个排气装置II、至少一个电加热器；在管道出口端B设置至少一个温度传感器II；流量传感器、温度传感器I与监控系统连接；电压传感器、温度传感器II与监控系统连接；电加热器经监控系统与供电电源相连。
2.根据权利要求1所述的基于地源热泵的便携式岩上热物性测试仪，其特征是所述监控系统包括仪表系统，仪表系统组成为包括单片机通过系统I/O口与数据存储器、RS232串口通讯、时钟电路、LCD显示器及键盘、A/D模数转换器、打印机、流量传感器、温度传感器、电压传感器、开关量输出相连接；另为系统提供配套电源及风扇。
3.根据权利要求1所述的基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，其特征是所述监控系统还包括操作控制系统，其组成为它包括220V交流电源，该电源经过流保险1A与仪表开关K1、仪表电源连接；同时水泵电源经水泵开关K2与仪表电源并联；接触器JQ与热继电器RJ、控制继电器KJ串联后经加热器开关K3与水泵电源并联；仪表电源上并联指示灯D1、水泵电源上并联指示灯D2、接触器JQ上并联指示灯D3；同时电源还经过流保险15A、接触器JQ开关与电加热器连接，电加热器与电压传感器输入端连接。
4.根据权利要求1所述的基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，其特征是所述流量传感器型号为LWGY-15涡轮流量传感器，用以产生与流量值相对应的脉冲信号；温度传感器I和温度传感器II的型号为BSWB-01，其输出与温度0-100℃相对应的4-20MA的标准电流信号；电加热器的加热管为额定功率为3000瓦的热阻型加热管；循环水泵型号为15PLBR 14-4。
5.根据权利要求2所述的基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，其特征是所述仪表系统中的A/D模数转换通道型号为TLC2543的具有11个通道的12位模数转换芯片，它接收各路温度传感器变送传来的电流信号，实行滤波和I/V变换，然后进行模数转换；以及接收电压传感器变送传来的电压信号，进行模数转换；得到的数字信号提供给单片机进行处理；通讯电路芯片型号为MAX232，它组成标准的RS232接口电路，用于与上位机传输测试数据；单片机为型号为AT89C52具有内部程序存储器的CPU，它控制整个系统的工作，其内部的程序存储器存放工作程序和参数，内部RAM作为系统的寄存器区、标志区和打印、显示缓冲区；其通过I/O端口与仪表系统的芯片及电路连接，达到监控目的；数据存储器型号为FM24C256，用于存放测试数据，数据存储器存储的测试数据在系统停电后不丢失；时钟电路芯片型号为DS1302，用于为系统提供精确的绝对时钟；开关量输出电路芯片型号为74HC07、4N25，用于驱动控制继电器，从而达到控制加热器工作状态的目的；LCD电路组件型号为OCMJ2X10C，用于即时显示测试数据；打印机型号为MP-D16-8，用于定时、随时打印测试数据。
6.一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的测试方法，其特征是在已钻好的钻孔中埋设导管其内灌装流体，并按设计要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分别与现场埋设的管道相连；流体由定压补水箱系统进入且充满管道，管道中的气体由排气装置排出后，关闭排气装置，然后依次开启控制开关K1、K2、与K3；仪器正常工作状态时，温度传感器I采集温度信号T1，流量传感器采集其流量信号；然后流体通过循环泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号T2由传感器II采集后，再从管道出口输入到埋置于深层岩土中的导管内，其导管内加热了的流体与岩土进行了热交换后，又从测试仪管道入口返回到测试仪内，形成封闭的循环；电压传感器采集的施加于电加热器上的电源电压和电加热器的固有电阻确定了加热功率；在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数。
7.根据权利要求6所述的基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的测试方法，其特征是进行参数估算时按公式f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，调整后的热物性参数数值即是所求的结果，其中Tcal，i为第i时刻由模型计算出的导管中流体的平均温度；Texp，i为第i时刻实际测量的导管中流体的平均温度；N为实验测量数据的组数。
全文摘要
本发明公开了一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法。它解决了解决目前在地源热泵系统中设计中对地下岩土热物性参数测量不准确的问题，提供一种具有结构简单，便于携带，可方便准确地对地下岩土的热物性参数进行测量。其结构为一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪，至少一个流量传感器、至少一个排气装置I、至少一个循环水泵、至少一个排气装置II、至少一个电加热器；在管道出口端B设置至少一个温度传感器II；流量传感器、温度传感器I与监控系统连接；电压传感器、温度传感器II与监控系统连接；电加热器经监控系统与供电电源相连。
文档编号G01N25/18GK1815211SQ20061004258
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者李晓东, 于明志, 方肇洪 申请人:山东建筑工程学院地源热泵研究所