专利名称：浅层地温能热、冷响应测试设备以及测试车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浅层地温能测试设备，特别是涉及一种浅层地温能热、 冷响应测设备以及测试车。
背景技术：
国内地源热泵的应用时间不长，相关的理论研究相对滞后，尤其在土 壤换热器的换热能力方面的研究，既缺乏数据积累，也缺乏现成的测试方 法。由于地源热泵的地埋管系统属于地质专业和暖通制冷专业的交叉学科， 因此， 一直以来对其研究不够深入。 一旦地埋管换热器设计不好，很容易 造成系统工作效率下降，甚至导致地源热泵主机无法正常工作。
目前，对浅层地温能热、冷响应测试的传统方法是获得岩土的热物性 参数，进而通过软件计算岩土冬、夏季工况的换热能力。获得岩土热物性 参数的方法 一种是通过当地钻孔取出的岩土样本确定钻孔周围的地质构 成，并作传热试验确定其热物性参数，或对采样岩土成分分析后，查阅相 关资料确定其热物性参数。然而，地下地质构成复杂，即使同一种岩土成 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，从而使得地源热 泵系统的造价会产生相当大的偏差。另外，这种方法无法对地埋管换热系 统的回填料的热物性以及回填料与地埋管及岩土之间的传热热阻进行分 析，更无法准确确定不同运行工况(温度)下地埋管换热系统的换热情况。 因此，只有现场测试数据才能准确反映当地地质条件、施工工艺水平下的 地埋管换热量。另一种方案是，通过向岩土排热测定其热物性参数。首先 预估该换热孔的换热能力，使用电加热器向地埋管提供恒定的热流，得出地 埋管进、出水温度变化数据，然后利用传热模型计算岩土热物性参数。另 外，此方案可以直接测定岩土的吸热能力。岩土换热能力包括两方面，一方 面是岩土的吸热能力，另一方面岩土的排热能力。现有的测试设备只能测 试岩土的吸热能力，所以，得出来的结果无法全面反映岩土的换热能力。
因此有必要提出 一种方案来解决地源热泵地埋管换热器换热能力评价 的问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的地埋管换热器换热能力测试方法和测 试设备存在的缺陷，提供一种新的浅层地温能热、冷响应测试设备以及测 试车，所要解决的技术问题是使其准确测量地源热泵地埋管换热器换热能 力，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据
本发明提出的一种浅层地温能热、冷响应测试设备，其包括循环管路，用 于输送流体介质；空气源热泵，设置在循环管路上，用于对流体介质加热 或者降温；緩冲箱，设置在循环管路上，用于保持流体介质的温度稳定；泵， 设置在循环管路上，用于输送流体介质；流量传感器，设置在循环管路上， 用于检测流体介质在循环管路内的流量；温度传感器，设置在循环管路上 用于检测流体介质的温度；以及控制系统，接收上述的流量传感器和温度 传感器的数据，并控制空气源热泵和泵的工作状态。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其还包括辅助加热器，设置 在上述的循环管路上。
前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，所述的辅助加热器为电加热器。 前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其中所述的循环管路包括流 体介质输出口 ，和流体介质返回口 ；在该输出口和返回口处分别设有温度 传感器。
前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其中所述的空气源热泵包括 变频压缩机，四通换向阀、板式换热器、电子膨胀阀及风冷换热器，其中 变频压缩机、板式换热器、电子膨胀阀、风冷换热器和四通换向阀通过管
线连接形成循环回路。
前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其中所述的控制系统包括 PLC控制器；数据采集模块，连接至上述的流量传感器和温度传感器；数据 输出模块，用于输出数据；以及变频器控制模块，用于控制上述的空气源 热泵和泵；上述的各个模块都连接于PLC控制器。
前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其中所述的控制系统还包括加热器控制模块，用于控制辅助加热器，并且该模块连接到PLC控制器。
前述的浅层地温能热、冷响应测试"i殳备，其中所述的控制系统还包括 触摸屏，其连接至PLC控制器，用于实现人机交互。
前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其中所述的循环管路上设有 多个阀门，用于控制循环管路中流体介质的流向。
本发明提出的一种浅层地温能热、冷响应测试车，其包括有一车厢，其特 征在于在车厢中安装有前述的浅层地温能热、冷响应测试i殳备。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点本发明浅层地温能热、 冷响应测试设备，由于采用变频的空气源热泵，其能够提供热源和冷源，可 以根据具体测定的需要设定适合的温度，从而可以更加准确地测定岩土的 换热能力。采用本发明的测试设备能够根据不同工况下岩土的换热能力调 节测试设备，从而使地埋管的进、出水温度和功率稳定，使用本发明的测 试设备进行测试可以按照要求建立设定温度，无论是冬季工况还是夏季工 况，并且温度稳定。另外，使用本发明的浅层地温能热、冷响应测试车，可 以方便地对各个不同地域进行测定，满足现场测试的需要，从而更加适于 实用。
综上所述，本发明特殊结构的浅层地温能热、冷响应测试设备以及测 试车，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的 结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大 的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有 的同类测试设备具有增进的多项功能，从而更加适于实用，而具有产业的 广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例 并配合附图详细il明如后。
冷响应测试i殳备的系统原理图。 冷响应测试i殳备的结构正面4见图。 冷响应测试i殳备的结构俯一见图。 冷响应测试设备的控制系统框图。
图1是本发明浅层地温能热、 图2是本发明浅层地温能热、 图3是本发明浅层地温能热、 图4是本发明浅层地温能热、图5是本发明的变频空气源热泵的组成示意图。 图6是地埋管埋入岩土中的示意图。 图7是土壤初始温度测定原理图。
图8是向土壤排热测试(单孑L、空气源热泵制热)、从土壤吸热测试(单 孔、空气源热泵制冷)原理图。
图9是向土壤排热测试(单孔、电加热制热)原理图。
图IO是向土壤排热测试(双孔、电加热和空气源热泵联合制热)原理图。
图ll是系统预热原理图。
图12和图13是传统测试设备(电加热)测试结果。其中，图12是进 出水温度、图13是排热量。
图14和图15是本发明测试设备的测试结果。其中，图14是冬季测试、 图15是夏季测试。
具体实施例方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的浅层地温能热、冷 响应测试设备其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1至图4所示，图l是本发明浅层地温能热、冷响应测试设备的 系统原理图，图2是本发明浅层地温能热、冷响应测试设备的结构的正面视 图，图3是本发明浅层地温能热、冷响应测试设备的结构俯视图，图4是本 发明浅层地温能热、冷响应测试设备的控制系统框图。本发明较佳实施例 的浅层地温能热、冷响应测试设备，其主要包括循环管路IOO,其用于输 送流体介质，在本发明中所述的流体介质为水，防冻液，或者水与其他有 机溶剂的混合物，如乙二醇水溶液，该循环管^各包括流体介质输出口 ，和流 体介质返回口；空气源热泵9 (包括室外机9a和室内机9b)，设置在循环管 路100上，用于对流体介质加热或者降温；緩冲箱5，为设置在循环管路IOO 上的容器，用于储存流体介质，由于该緩冲箱5可以容纳大量的流体介质， 所以可以緩冲从空气源热泵流出的流体介质的温度波动，从而保持整个循 环管路中流体介质的温度稳定；泵2a、 2b，设置在循环管路上，用于输送流 体介质，较佳的，采用两个泵2a、 2b并联设置；流量传感器7，设置在循环 管路100上，用于检测流体介质在循环管路内的流量；温度传感器IO,用于 检测流体介质的温度，其包括一个设置在循环管路返回口的返回温度传感 器10a和一个设置在循环管路输出口的输出温度传感器10b;单向阀3a、 3b分别设置在上述泵2a和泵2b出口的循环管路上，防止流体介质的逆流,保持 流体介质的流动方向；以及控制系统200，与流量传感器、温度传感器、空 气源热泵和泵电性连接，接收上述的流量传感器和温度传感器的数据，并控 制空气源热泵和泵的工作状态，以及数据的输入和输出。
在正常情况下，本发明的空气源热泵既能够使流体介质的温度高于环 境温度，也能够使流体介质的温度低于环境温度，从而使该测试设备不受 环境温度的限制，具有广泛的应用范围。较佳的，上述的循环管路100上还 i殳有辅助加热器4，更好的为电加热器，加热器的作用在于当空气源热泵的 制热能力达不到要求时，为流体介质提供加热，使其温度满足测试条件的 要求。
请参阅图5所示，是本发明的变频空气源热泵的组成示意图。上述的空 气源热泵9包括室外机9a和室内才几9a。室内^几9a包括变频压缩才几91，四 通换向阀92、板式换热器93和电子膨胀阀94,室外机包括风冷换热器95， 其中变频压缩机91、板式换热器92、电子膨胀阀93、风冷换热器95和四通 换向阀94通过管线连接形成循环回路。通过四通换向阀94的换向作用可以 实现板式换热器93对外输出热量或者冷量，从而实现加热流体介质或者冷 却流体介质。该空气源热泵9的制冷能力llkW,制热能力12kW。
上述的控制系统200包括PLC控制器201;数据采集模块202,连接 至上述的流量传感器7和温度传感器10a、 10b;数据输出模块203，用于 向外部设备(如存储设备或者数据处理设备)输出数据；加热器控制模块 204，用于控制加热器；触摸屏205，其连接至PLC控制器，用于实现人才几 交互；以及变频器控制模块206,用于控制上述的空气源热泵和泵；并且该 模块连接到PLC控制器；上述的各个模块都连接于PLC控制器。
本发明还包括在上述的循环管路上设有多个阀门V1 ~ V16,用于控制循 环管路中流体介质的流向，其中阀V4为泄水阀，共有3个。
上述的变频压缩机和泵均釆用变频控制，电加热器的功率为12kW，釆用 PID (比例微积分)控制。通过泵的频率调节，使测试设备的进、出水温差 满足设定的要求，通过调节压缩机的频率或者电加热PID控制使测试车的出 水温度满足要求，从而建立所需要的冷、热测试工况。緩冲箱除了起到补 充流体介质的作用外，还能够减小流体介质温度波动速度的作用。
请参阅图6所示，是地埋管埋入岩土中的示意图。地埋管换热器是将U 型地埋管101埋入岩土103中，并在地埋管周围添加填料102。地埋管换热器 的流体介质流过地埋管并与岩土发生热交换。图6中a为夏季工况，b为冬季工况示意图。本发明的浅层地温能热、冷响应测试设备就是用于测量地埋 管的实际换热能力，从而为地埋管的设计提供数据。该地埋管的一端连接 到上述浅层地温能热、冷响应测试设备的流体介质输出口另一端连接到流 体介质返回口 。
较佳的，本发明的测试设备在循环管路的流体介质输出口为多个，且流 体介质返回口也为多个，从而同时测定多组地埋管的换热数据。
本发明的测试设备能够实现以下工况的测量
l)土壤初始温度测定、2)向土壤排热测试(单孔、空气源热泵制热)、 3)向土壤排热测试(单孔、电加热制热)、4)向土壤排热测试(双孔、电 加热和空气源热泵联合制热)、5 )从土壤吸热测试(单孔、空气源热泵制 冷)、6)系统预热(电加热制热)。
1) 土壤初始温度测定阀V6、 V12、 V13、 V17、 V18开启，其余阀门 关闭，见图7。水泵2b出口通过单向阀3b直接与地埋管进水口相连，而地 埋管出水口则通过Y型过滤器1连接流量传感器7并与泵2b入口相连。温 度传感器10和流量传感器7将测量的水温和流量信号送至控制系统并显 示。
2) 向土壤排热测试(单孔、空气源热泵制热)阀V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V15、 V16开启，其余阀门关闭，见图8 。 -使用空气源热泵 作单孔向土壤排热和从土壤吸热测试时，空气源热泵9的出水口进入开式 緩沖箱5后通过泵2a和单向阀3a与地埋管进水口相连接，地埋管出水口 则通过Y型过滤器1和流量传感器7与空气源热泵9的进水口相连接。温 度传感器10和流量传感器7将测量的水温和流量信号送至控制系统并显 示。
3) 向土壤排热测试(单孔、电加热制热)阀V1、 V2、 V7、 V8、 V12、 V13、 V14、 V15、 V16开启，其余阀关闭，见图9。使用电加热器作单孔向 土壤排热测试时，电加热器4的出水口进入开式緩冲箱5后通过水泵2a和 单向阀3a与地埋管进水口相连接，地埋管出水口则通过Y型过滤器1和流 量传感器7与电加热器4的进水口相连接。温度传感器8和流量传感器7 将测量的水温和流量信号送至控制系统并显示。
4) 向土壤排热测试(双孔、电加热和空气源热泵联合制热)阀V1、 V2、 V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V14、 V15、 V16开启，其余阀门关 闭，见图10。作双孔向土壤排热测试时，空气源热泵9的出水口与电加热 器4的出水口共同接入开式緩冲箱5后通过水泵2和单向阀4与地埋管进水口相连接，地埋管出水口则通过Y型过滤器1和流量传感器7与空气源 热泵9和电加热器4的进水口相连接。温度传感器10和流量传感器7将测 量的水温和流量信号送至控制系统并显示。
5) 从土壤吸热测试(单孔、空气源热泵制冷)阀V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V15、 V16开启，其余阀门关闭，见图8。
6) 系统预热(电加热制热况)阀V1、 V2、 V5、 V7、 V8、 V14、 V15、 V16开启，其余阀门关闭，见图11。系统预热时，电加热器4出水口直接 进入开式緩冲箱5，然后通过水泵2a、单向阀3a、 Y型过滤器1和流量传 感器7与电加热器7的进水口相连接。
请参阅图12和图13所示，是传统测试设备(电加热)测试结果，其中，图 12是进、出水温度、图13是地埋管换热器排热量。可以看到传统的电加热 式测量设备，提供恒热流的测试设备突出的缺点是无法模拟土壤源热泵的 实际运行工况，地埋管进出水温度波动很大，无法稳定达到要求的温度。从 图12和图13中可以看出，地埋管的进、出水温度在整个运行时间内一直波 动上升，其平均进、出水温度分别为24. 4。C和28. rC，整个运行时间内大 部分的温度都与平均值偏差较大。地埋管换热系统的换热量也有很大波动。 这样的测试结果可以作为参考，但作为地埋管换热系统的计算依据不够准 确。
请参阅图14和图15所示，是本发明的测试设备的测试结果，其中，图14 是冬季测试、图15是夏季测试。采用本发明的测试设备能够根据不同工况 下岩土的换热能力调节测试设备，从而使地埋管的进、出水温度和功率稳 定，使用本发明的测试设备进行测试可以按照要求建立工况设定温度，无论 是冬季工况还是夏季工况，并且温度稳定。
从图12、图13中可以看出，现有同类测试设备测试结果温度一直呈上 升趋势，并未达到稳定，地埋管换热器排热量波动也较大；而从图14、图 15中可以看出，浅层地温能热、冷响应测试设备除了冬、夏季工况均能测 试外，其进、出水温度也比较稳定(正负偏差不超过O. 3摄氏度)，换热量 波动较小，测试结果可信度高。
本发明的浅层地温能热、冷响应测试设备，能够建立地源热泵实际运 行的制冷和制热工况(即地埋管换热系统的工作温度)；电加热器和空气源 热泵同时开启，能够同时测试两组换热孔的换热能力及相互间热干扰；在严 寒季节也能够开启向土J^泉排热测试(此时启动电加热排热)；水泵变流量控 制进、出水温差；压缩机变频及电加热器PID控制测试车出水温度，水箱蓄能，减小水温波动。
由于测试遍布各地，需要将测试设备抵达测试现场才能够进行测试。所 以，本明还提出一种浅层地温能热、冷响应测试车，其是在厢式货车安装有 前述的浅层地温能热、冷响应测试设备，具体安装可参见图2和图3所示。该 测试车可以更加灵活地对不同地域进行测试，,人而更加适于实用。本发明的 测试车能够满足现场测试要求，建立土壤源热泵的冬、夏季实际运行工况， 并能够维持运行工况的稳定，测试得到的温度、流量、排冷(热)量等数 据可实时显示并能够输出存储。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发 明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利 用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围 内。
权利要求
1、一种浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在于其包括循环管路，用于输送流体介质；空气源热泵，设置在循环管路上，用于对流体介质加热或者降温；缓冲箱，设置在循环管路上，用于保持流体介质的温度稳定；泵，设置在循环管路上，用于输送流体介质；流量传感器，设置在循环管路上，用于检测流体介质在循环管路内的流量；温度传感器，设置在循环管路上用于检测流体介质的温度；以及控制系统，接收上述的流量传感器和温度传感器的数据，并控制空气源热泵和泵的工作状态。
2、 根据权利要求1所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在 于还包括辅助加热器，设置在上述的循环管路上。
3、 根据权利要求1所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在 于所述的辅助加热器为电加热器。
4、 根据权利要求1所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在 于其中所述的循环管路包括流体介质输出口，和流体介质返回口；在该输 出口和返回口处分别设有温度传感器。
5、 根据权利要求l所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在于 其中所述的空气源热泵包括变频压缩机，四通换向阀、板式换热器、电 子膨胀阀及风冷换热器，其中变频压缩机、板式换热器、电子膨胀阀、风 冷换热器和四通换向阀通过管线连接形成循环回5^。
6、 根据权利要求2所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在 于其中所述的控制系统包括PLC控制器；数据采集模块，连接至上述的流量传感器和温度传感器； 数据输出模块，用于输出数据；以及 变频器控制模块，用于控制上述的空气源热泵和泵； 上述的各个模块都连接于PLC控制器。
7、 根据权利要求6所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在于其中所述的控制系统还包括加热器控制模块，用于控制辅助加热器，并且该模块连接到PLC控制器。
8、 根据权利要求6所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其特征在 于其中所述的控制系统还包括触摸屏，其连接至PLC控制器，用于实现人机交互。
9、 根据权利要求l-8任一项所述的浅层地温能热、冷响应测试设备，其 特征在于其中所述的循环管路上设有多个阀门，用于控制循环管路中流体 介质的流向。
10、 一种浅层地温能热、冷响应测试车，其包括有一车厢，其特征在 于在车厢中安装有如权利要求9所述的浅层地温能热、冷响应测试设备。
全文摘要
本发明是关于一种浅层地温能热、冷响应测试设备以及测试车。该测试设备包括循环管路，用于输送流体介质；空气源热泵，设置在循环管路上，用于对流体介质加热或者降温；辅助加热器，设置在循环管路上，用于对流体介质加热；缓冲箱，设置在循环管路上，用于保持流体介质的温度稳定；泵，设置在循环管路上，用于输送流体介质；流量传感器，设置在循环管路上，用于检测流体介质在循环管路内的流量；温度传感器，设置在循环管路上，用于检测流体介质的温度；以及控制系统，接收上述的流量传感器和温度传感器的数据，并控制空气源热泵和泵的工作状态。使用本发明的测试设备进行测试可以按照要求建立工况设定温度，无论是冬季工况还是夏季工况，并且温度稳定，所得数据更加符合实际工程的需要。
文档编号G01N25/20GK101430294SQ200710188219
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者恒 尹, 李文伟, 楼洪波, 毕文明, 震 赵 申请人:北京华清荣昊新能源开发有限责任公司