专利名称：土壤热物性参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及土壤热物性参数测量技术，特别是涉及一种土壤热物性参数测量
装置。
背景技术：
随着人们对环境保护意识的不断提高，越来越多的建筑采用土壤源热泵技术来供 热供冷，其中，土壤源热泵是利用土壤一年四季温度稳定的特点，冬季时将土壤能作为热泵 供暖的热源，即把高于环境温度的土壤能中的热能取出供室内采暖，夏季时将土壤能作为 空调的冷源，即把室内的热能取出释放到低于环境温度的土壤中，由于土壤源热泵在运行 中不排放污染，能源消耗低，因此，利用土壤源热泵进行供热供冷具有较高的节能和环保效 果。 土壤源热泵系统的换热器是用来连接建筑和土壤，并在两者之间进行热交换的重 要装置，垂直U型管换热器就是其中一种比较常见的换热器，由于换热器的设计主要取决 于建筑的冷热负荷、土壤的初始温度以及土壤的导热系数和比热容等土壤热物性参数，因 此，在进行U型换热管设计和埋设时需要获得土壤的热物性参数，以便为土壤源热泵系统 提供设计依据，目前，土壤的热物性参数一般是通过土壤热物性测试仪来测量相关的参数 后在柱热源传热模型中通过一定的计算后获得。 现有技术的土壤热物性测试仪通常包括循环管路、绝热的介质容器、介质温度检 测记录系统、定功率加热系统和管路介质循环流量检测记录系统，其中，测试仪开始工作 前，将循环管路进出口分别与设置的U型换热器的进出口连接，形成循环介质环路；定功率 加热系统包括加热器，用于对管路循环介质以恒定的功率进行加热；介质温度检测记录系 统包括两个热电阻或电偶温度传感器，分别设置在循环管路与U型换热器的进口和出口连 接处，用于测量进入和流出U型换热器进口和出口的介质的温度；管路介质循环流量检测 记录系统包括流量传感器，用于检测和记录介质流量的数据。在进行测量时，首先在不开启 加热器或冷却器时开启循环泵，在循环管路内使介质循环至稳定温度时，通过温度传感器 获得土壤的初始温度数据；初始温度测量后，利用定功率加热器或冷却器加热介质并在管 路中循环，并间隔一定时间记录相应时间点时U型换热器进口和出口的介质循环运行时的 温度数据，以及同一时间点环路中的介质流量数据；最后，根据测量得到的土壤的初始温度 数据、介质循环运行时的温度数据以及流量数据，在柱热源传热模型中通过迭代计算得到 土壤的热物性参数。 综上，现有技术土壤热物性测试仪测量时，只能测量得到U型管进口和出口处介 质的温度，并且忽略了水泵自身发热对水温的影响，测得的温度是整个地下土壤的平均温 度，即现有技术测试仪是将整个地下土壤作为整体进行测量，而实际上地下土壤是垂直分 层分布地，各分层土壤的初始温度具有较大差异，因此，根据测量得到的温度数据计算出的 土壤的热物性参数只是土壤的平均值，其并不能准确地反馈出土壤分层分布的特性，从而 使得获得的土壤的热物性参数不精确，测量结果不可靠。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种土壤热物性参数测量装置，可有效测量地下各分层
土壤的温度，根据测量得到的各分层土壤的温度获得各分层土壤的热物性参数可有效反馈
土壤的真实分布状况，从而可有效提高土壤的热物性参数测量的准确性和可靠性。
为实现上述目的，本实用新型提供了 一种土壤热物性参数测量装置，包括介质循
环管路和与所述介质循环管路连接的用于提供循环介质的介质容器，其中，所述介质容器
内设置有用于加热循环介质的加热装置；所述介质循环管路和介质容器之间设置有用于提
供循环动力的循环水泵，所述介质循环管路的进口和出口与设置在待测量土壤中的预设介
质管道连接，使得所述循环管路和所述预设介质管道形成环路； 所述预设介质管道的内壁或外壁上设置有用于测量分层土壤温度的温度传感器 组，所述温度传感器组包括至少两个温度传感器，且各温度传感器按预设距离设置；所述介 质循环管路上还设置有用于测量介质流量的流量传感器；所述传感器组和流量传感器分别 与数据测量控制装置连接。 其中，所述介质循环管路和介质容器之间还设置有用于调节循环介质流量的平衡 阀。所述加热装置为电加热器，设置在所述介质容器内。所述介质容器包括用于注入循环 介质的注水口 、与所述循环水泵连接的第一连接口和与所述介质循环管路连接的第二连接 口。温度传感器的数量可为50-100个，且间隔均匀垂直设置在所述预设介质管道的内壁或 外壁上。 此外，所述土壤热物性参数测量装置还可包括用于控制所述循环水泵、数据测量 控制装置和加热装置运行的控制中心。 本实用新型提供了一种土壤热物性参数测量装置，通过设置的包括多个温度传感 器的传感器组，可有效地测量各分层土壤的初始温度、循环介质水进行热交换过程中各分 层土壤的温度，根据测量得到的各分层土壤的温度数据，可精确地计算得到各分层土壤的 热物性参数，提高土壤热物性参数测量的准确性和可靠性，以便为土壤源热泵的设计提供 可靠地数据，提高土壤源热泵设计的准确性。
图1为本实用新型土壤热物性参数测量装置实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 由于地下土壤是分层垂直分布的，不同分层位置的土壤的温度是不相同的，地下
土壤并非是均质的垂直分布，因此，针对现有技术在进行土壤的热物性参数测量时，普遍将
待测量的土壤均看成是温度均布的单一柱体，本实用新型实施例提供了一种土壤热物性参
数测量装置，根据土壤垂直分层分布的特性，可有效地检测各分层土壤的分层温度，从而使
得根据各分层土壤的分层温度，计算出各分层土壤的热物性参数，获得的土壤的热物性参
数精确、可靠，可有效反馈出土壤的实际分布情况，提高土壤热物性参数测量的准确性，以
为土壤源热泵的设计提供依据。[0015] 图1为本实用新型土壤热物性参数测量装置实施例的结构示意图。具体地，如图 1所示，本实用新型实施例装置包括介质循环管路1、介质容器2、包括至少两个温度传感 器的传感器组3、流量传感器4和数据测量控制装置5，其中，介质容器2可存储用于为介质 循环管路1提供循环介质的水，其与介质循环管路1连接，同时，介质容器2内还设置有用 于加热循环介质水的加热装置6 ;介质循环管路1和介质容器2之间设置有循环水泵7，提 供循环介质水的循环动力；介质循环管路l的进口和出口分别与设置在待测量土壤中的预 设介质管道8连接，以使该介质循环管路1和预设介质管道8形成一个用于循环介质可循 环流通的环路；传感器组3设置在预设介质管道8的内壁或外壁上，且传感器组3中的各传 感器按预设距离设置，以用于测量各分层土壤的温度；流量传感器4设置在介质循环管路1 上，用于测量介质循环管路1内介质的流量；传感器组3和流量传感器4与数据测量控制装 置5连接，由数据测量控制装置5控制传感器组3内的各传感器和流量传感器4的运行，并 接收传感器组3内的各传感器以及流量传感器4测得的温度数据和流量数据。根据测量得 到的土壤中各分层土壤的温度数据和流量数据，即可通过计算得到各分层土壤的热物性参 数，以便为土壤源热泵的设计提供依据。 实际应用中，所述的介质容器2可包括用于注入循环介质水的注水口、与循环水 泵连接的第一连接口和与介质循环管路连接的第二连接口，以便于介质循环管路1、循环水 泵7和介质容器2更加方便可靠地组装在一起，同时，可便于为介质容器内加入介质循环 水。此外，所述的加热装置6可以为电加热器，设置在介质容器2内，且该电加热器可以固 定的功率进行加热，且该电加热器的加热功率可调，以在的加热过程中，可满足实际应用中 对循环介质水进行加热的需要。 此外，如图1所示，介质循环管路1和介质容器2之间还可设置有平衡阀9，用于调 节环路内循环介质流量。所述土壤热物性参数测量装置还可包括控制中心io，与循环水泵 7、数据测量控制装置5和加热装置6连接，用于控制各部件的运行，通过该控制中心10，可 有效地对循环水泵7、加热装置6和数据测量控制装置5进行控制，以准确可靠地完成对温 度数据和流量数据的测量，获得所需的测量数据。 实际应用中，温度传感器组3内传感器的个数一般设置在10个以上，可根据实际 的需要而设定，如需要埋设的换热器管的深度，可设定50-100个，具体地，本实施例中温度 传感器的数量设定为100个，且间隔均匀地垂直设置在预设介质管道的内壁或外壁上。其 中，每个温度传感器的设置的位置即可表示相应地分层土壤，通过各位置的温度传感器，即 可确定出相应位置土壤所处的分层土壤在各条件时的温度。 此外，如图l所示，本实施例中也可在预设介质管道的进出口处设置第一出口温 度传感器和第二出口温度传感器，根据测量的预设介质管道的出口温度，可评估预设介质 管路的换热量，为整个土壤源热泵系统的设计提供依据。 下面对本实用新型实施例的具体测量过程进行说明，以对本实用新型技术方案有 更好的了解，具体地，利用本实用新型实施例对待测量土壤进行测量时，可包括以下步骤 步骤1、安装测量装置。 将预设介质管道8和传感器组3 —起放入预先钻好的孔洞内，其中，该预设介质管 道8为U型管换热器，传感器组3可设置在U型管换热器的内壁或外壁上，优选地，将该传 感器组3设置在U型管内，以便于各传感器的安装和更换；当预设介质管道8和传感器组3被按要求下放到孔洞后，可按照施工要求将孔洞回填密实；然后，将介质循环管路1、介质 容器2、流量传感器4、循环水泵7、加热装置6、数据测量控制装置5和控制中心10等连接 好，并连接好各种信号连接线、控制线、电源线等。此外，还可对连接好的各部件进行检测， 查看连接是否合格、可靠，若有问题，进行相应的调试。 步骤2、测量各分层土壤的初始温度。 测量装置安装完毕并等待2 3天，待土壤温度恢复到初始状态时，在控制中心10 和数据测量控制装置5的控制下，通过温度传感器测量各分层土壤的初始温度，并通过数 据测量控制装置5读取和记录温度传感器组3的各温度传感器测量得到的温度，记录的各 温度传感器的温度应与传感器的设置位置对应，以便可准确地计算出各传感器设置位置所 对应的分层土壤的热物性参数。具体地，在进行温度测量时，传感器组3中的各传感器可按 预设距离布设在U型换热管内后，可对每个传感器进行编号，当检测和记录传感器的检测 温度时，对每个温度传感器测量得到的温度进行记录时，与相应传感器的编号进行对应，以 保证温度数据记录的准确性和可靠性，同时，也便于温度数据的记录和调用。 步骤3、测量循环介质水热交换过程中各分层土壤的温度。 各分层土壤的初始温度测量完毕后，可通过注水口向介质容器2内注满循环介质 水，并通过控制中心10开启循环水泵7，同时利用平衡阀调节环路内水的流量，待环路内水 循环稳定后开启加热装置，并以调节好的恒定的加热功率加热循环介质水。然后，以一定的 时间间隔检测和记录传感器组3内各温度传感器检测得到的温度数据，同时，在进行温度 测量时，以相同的时间间隔内检测和记录流量传感器4检测得到的循环介质水在环路内的 流量，待测量装置循环运行2 3天，数据测量控制装置检测得到的温度数据趋于稳定时， 关闭循环水泵和加热装置。 步骤4、测量土壤温度恢复过程中各分层土壤的温度。 当步骤3测量完毕，关闭循环水泵和加热装置后，以一定的时间间隔继续检测和 记录土壤恢复到初始温度过程中的温度，直到土壤恢复到初始温度为止，土壤温度恢复过 程一般为3天。 可以看出，本实用新型实施例土壤热物性参数测量装置可通过以上步骤获得各种 状态下分层土壤的温度，根据测量得到的各种状态下的温度数据，以及测量得到的流量数 据和加热循环介质水时的加热功率，即可通过在柱热源传热模型中计算得到各分层土壤的 热物性参数，根据获得的各分层土壤的热物性参数即可对土壤源热泵进行设计，以满足实 际的设计需要。 本实用新型实施例土壤热物性参数测量装置通过设置的包括多个温度传感器的 传感器组，可有效地测量各分层土壤的初始温度、循环介质水进行热交换过程中各分层土 壤的温度，根据测量得到的各分层土壤的温度数据，可精确地计算得到各分层土壤的热物 性参数，提高土壤热物性参数测量的准确性和可靠性，以便为土壤源热泵的设计提供可靠 地数据，提高土壤源热泵设计的准确性。 最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限 制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理 解其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替 换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
权利要求一种土壤热物性参数测量装置，其特征在于，包括介质循环管路和与所述介质循环管路连接的用于提供循环介质的介质容器，其中，所述介质容器内设置有用于加热循环介质的加热装置；所述介质循环管路和介质容器之间设置有用于提供循环动力的循环水泵，所述介质循环管路的进口和出口与设置在待测量土壤中的预设介质管道连接，使得所述循环管路和所述预设介质管道形成环路；所述预设介质管道的内壁或外壁上设置有用于测量分层土壤温度的温度传感器组，所述温度传感器组包括至少两个温度传感器，且各温度传感器按预设距离设置；所述介质循环管路上还设置有用于测量介质流量的流量传感器；所述传感器组和流量传感器分别与数据测量控制装置连接。
2. 根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述介质循环管路 和介质容器之间还设置有用于调节循环介质流量的平衡阀。
3. 根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述加热装置为电 加热器，设置在所述介质容器内。
4. 根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，还包括用于控制所 述循环水泵、数据测量控制装置和加热装置运行的控制中心。
5. 根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，所述介质容器包括 用于注入循环介质的注水口 、与所述循环水泵连接的第一连接口和与所述介质循环管路连 接的第二连接口。
6 . 根据权利要求1所述的土壤热物性参数测量装置，其特征在于，温度传感器的数量 为50-100个，且间隔均匀垂直设置在所述预设介质管道的内壁或外壁上。
专利摘要本实用新型涉及一种土壤热物性参数测量装置。该装置包括介质循环管路和介质容器，介质容器内设置有加热装置；介质循环管路和介质容器之间设置有循环水泵，介质循环管路的进口和出口与设置在待测量土壤中的预设介质管道连接；预设介质管道的内壁或外壁上设置有用于测量分层土壤温度温度传感器组，温度传感器组包括至少两个温度传感器，且各温度传感器按预设距离设置；介质循环管路上还设置有流量传感器；传感器组和流量传感器分别与数据测量控制装置连接。本实用新型技术方案可精确地测量地下各分层土壤的温度，根据测量的各分层土壤的温度，可精确可靠地获得各分层土壤的热物性参数，为土壤源热泵设计提供依据。
文档编号G01N25/20GK201508338SQ20092024666
公开日2010年6月16日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者吕晓辰, 朱清宇, 沈亮, 肖龙, 钱程 申请人:中国建筑科学研究院