专利名称：土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于土壤源热泵地埋管换热性能的测试技术领域，特别涉及一种土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置。
背景技术：
土壤源热泵是一种以地表浅层地热资源为冷源或热源的既可供热又可制冷的高效节能的空调系统。由于土壤温度全年相对稳定，同传统空调系统相比，土壤源热泵运行效率要高40%左右，而且运行更加可靠 和稳定。近年来，土壤源热泵在我国广泛应用。土壤源热泵通过地埋管实现中间介质与土壤之间的热量交换。因此，地埋管的换热性能对土壤源热泵的性能及其合理实施起着决定性影响。地埋管的换热性能与各个工程所在地的地下岩土热物性有关，所以，在施工现场对地埋管的换热性能进行实地测试是保证土壤源热泵合理设计及正常运行的关键。在现有的土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试技术中，存在以下间题I. 土壤温度取值不准确。在计算土壤的平均散热的传热系数时，土壤温度的取值为土壤原始温度(即测试前的土壤温度)，而中间介质通过地埋管与土壤换热后，土壤温度是有所变化的，实际土壤温度与原始温度不同。另外，在垂直地面方向上，地下土壤存在温度分层，只通过一个温度传感器获得土壤温度，并将其作为土壤原始温度的方法精确度并不闻。2.水箱内水温不均匀。如专利《地源热泵地下换热器的换热量测试仪》(中华人民共和国，专利号200810069919. 0，公开号CN 101299000A)提出的测试仪结构简单、操作方便，内置加热器和制冷器的水箱作为测试仪的冷、热源，尽管测试时，水箱温度有设定值，但由于水箱存在温度分层现象，水箱的出水温度经常变化，引起测试工况不稳定，进而导致测试结果误差大。3.测试装置水流量不可变。地埋管的换热性能与管内水流量有关，不同的土壤源热泵工程有着不同的地埋管设计水流量，如果测试装置水流量不可变的话，大大降低了测试装置的工程适用性。可见，开发一种既简便又准确的地埋管换热量及土壤热物性测试装置对土壤源热泵技术的推广和科学应用至关重要。
实用新型内容针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置。该测试装置具有结构简单、操作方便、运行工况可调节、适用性广、测试准确度高等特点，可为土壤源热泵系统的设计和施工提供可靠的依据。本实用新型解决技术问题的技术方案如下一种土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置，其特征在于该装置包括循环管路系统和测试系统；[0012]所述循环管路系统包括保温水箱、水箱出口管路及水箱入口管路，水箱出口管路和水箱入口管路分别与待测的地埋管连接，水箱出口管路和水箱入口管路上均设置阀门，水箱入口管路上设有循环水泵；在所述水箱出口管路上设置电磁流量计，在所述水箱出口管路和水箱入口管路上均设置压力传感器和温度传感器，所述电磁流量计、所述压力传感器和所述温度传感器分别通过引线与数据测量记录装置相连，在所述地埋管一侧的外壁上设有温度传感器组，该温度传感器组中的各温度传感器按地埋管埋深等分后垂直设置；所述温度传感器组的引线放置在套管内，引线一端与数据测量记录装置相连，另一端穿过套管与温度传感器组中的各温度传感器连接；所述电磁流量计、所述压力传感器、所述温度传感器和所述温度传感器组构成所述的测试系统。所述套管靠近并平行地埋管埋地设置。
所述温度传感器组通过管卡固定在地埋管的外壁上。所述温度传感器组可以包括3-4个温度传感器，温度传感器组中传感器个数可增加以提闻测试精度。所述循环水泵为变频泵时，可以实现变流量测试。所述保温水箱内设置电加热器和温度控制器，所述电加热器和温度控制器连接，所述电加热器的加热功率可调，所述温度控制器为电子式温度控制器；所述保温水箱底部设置换热盘管，所述换热盘管与制冷装置相连，所述保温水箱内设置搅拌器。所述保温水箱为有顶盖的长方体或圆筒形容器；所述保温水箱放置在支架上。所述保温水箱底部设置排水管，顶盖上设置放气阀和补水管。所述保温水箱的侧面设置溢流管和液位计。使用该测试装置进行测试的具体步骤如下I.测试前的准备工作。将地埋管和内设引线的套管放入按设计要求钻好孔的地层中，同时，将温度传感器组中的各温度传感器按等距离间隔用管卡固定在地埋管一侧外壁，从套管甩出的引线一端与各温度传感器连接，引线另一端与数据测量记录装置连接，钻孔回填后，利用接头将测试装置出口和入口分别与地埋管两端相连，形成测试装置的循环管路系统。关闭靠近水箱的阀门和排水管上的阀门，打开补水管上的阀门，将自来水管与补水管连接给保温水箱注水，当水箱的溢水管有水流出时，开启靠近水箱的阀门并开启循环水泵，使循环管路充满水，管路中的气体通过放气阀排出，关闭补水管上的阀门，关闭循环水泵。为了减少钻孔及地埋管注水对地温的扰动，提高测量结果的准确度，整个测试装置须再静置1-2天，以利于地温恢复到初始状态。2.测试工作。在模拟夏季工况地埋管向土壤散热时，开启温度控制器，设定水箱内的水温，温度控制器控制电加热器的工作，当水箱内水温达到设定值后，开启循环水泵，并设定循环水泵的水流量，开始测试。当测试装置进、出口水温稳定后，数据测量记录装置每隔一小时，记录一次测试装置的进、出口水温，进、出口水压，水流量，土壤的各层温度，连续记录24小时后，结束散热测试。在模拟冬季工况地埋管向土壤取热时，开启温度控制器和制冷装置，设定水箱内的水温，温度控制器控制电加热器的工作，当水箱内水温达到设定值后，开启循环水泵，并设定循环水泵的水流量，开始测试。当测试装置进、出口水温稳定后，数据测量记录装置每隔一小时，记录一次测试装置的进、出口水温，进、出口水压，水流量，土壤的各层温度，连续记录24小时后，结束取热测试。3.地埋管换热量及土壤热物性的确定。根据测试记录的试验数据，利用计算机内编制的程序，计算得到地埋管换热量及土壤的换热系数。所采用计算公式如下地埋管换热量QQ=p XVXCpX At式中，Q-地埋管换热量，kff ；P -水的密度，kg/m3 ;V-水的体积流量，m3/s ；Cp-水的定压比热，kj/ (kg · °C )；At-测试装置的出、进口水温温差，°C。每米地埋管的平均换热量qq = Q/l式中，q_每米长度地埋管的换热量，kff/m ；I-地埋管埋深，m。被测土壤的传热系数KX JX-ttp\式中，K-被测土壤传热系数，kff/ (m2 · 0C )；d-地埋管内径，m;tsp-地埋管内的平均水温，°C ;ttp-土壤的平均温度，°C。
N ( ny、
_6] = V^kiInj
tp ~ Nη-设置在地埋管一侧外壁上温度传感器的个数；N-试验测量数据的组数，本实用新型在测试工况稳定后，每隔I小时记录一次试验数据，连续记录24小时,故N = 24 ；ti, j-第i组第j个温度传感器对应的土壤温度，V本实用新型具有以下积极效果和技术特征I.测量准确度高。采用的电子式温度控制器，通过温度控制器控制电加热器的输出热量，保证保温水箱内的水温维持在设定值；搅拌器的设置增加了水箱内水的扰动，降低了水箱内水温分布的不均匀性，提高了测试时水箱出口水温的稳定性；地埋管外壁等间隔设置了一组温度传感器，各测试时刻的土壤温度取该组温度传感器读数的算术平均值，同时，计算被测土壤的传热系数时，取各测试时刻的土壤温度的算术平均值作为土壤平均温度，确保测试数据的准确性。2.适用性广。电加热器的加热功率可调，保温水箱的出水温度可调节，循环水泵为变频泵，可实现变流量测试，所以，该测试装置能够适应不同土壤源热泵工程的不同要求。3.结构简单，操作简便。本实用新型保证了工程实际测试过程中保温水箱出水温度的稳定性和土壤温度测试的合理性，可真实模拟土壤源热泵系统向土壤取热和放热两种运行模式下地埋管的换热能力，测量及计算结果准确且精度高，为土壤源热泵的设计提供准确可靠的基础数据。
图I是测试装置的原理结构示意图；图2 (a)是搅拌器结构示意图；图2 ( b)为图2 (a)中的A-A视图；图3是管卡固定温度传感器示意图；图4是卡箍结构示意图。图中标号1_保温水箱；2_电加热器；3_换热盘管；4_制冷装置；5_放气阀；6-补水管；7_排水管；8_溢水管；9_液位计；10_搅拌器；11_温度控制器；12_温度控制器；13-支架；14_阀门；15_电磁流量计；16-压力传感器；17-温度传感器；18_阀门；19_水箱出口管路；20_地埋管；21_水箱入口管路；22_阀门；23_温度传感器；24_压力传感器；25-循环水泵；26_阀门；27_温度传感器；28_套管；29_引线；30_数据测量记录装置；31-计算机；32_卡箍；33_钢板；34_螺栓；35_螺母；36_不锈钢支架。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。如图I所示，本实用新型实施例土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置包括循环管路系统和测试系统；所述循环管路系统包括保温水箱I、水箱出口管路及水箱入口管路，水箱出口管路19和水箱入口管路21分别与待测的地埋管20连接，水箱出口管路和水箱入口管路上均设置阀门，其中，水箱出口管路上设置阀门14、18，水箱入口管路上设置阀门22、26，水箱入口管路上设有循环水泵25，提供水的循环动力；在所述水箱出口管路上设置电磁流量计15,在所述水箱出口管路和水箱入口管路上均设置压力传感器和温度传感器，其中，在所述水箱出口管路上设置压力传感器16和温度传感器17，在所述水箱入口管路上设置压力传感器24和温度传感器23，所述电磁流量计15、所述压力传感器16、24和所述温度传感器17、23分别通过引线与数据测量记录装置30相连，在所述地埋管20 —侧的外壁上设有温度传感器组27，以测量各分层土壤的温度，该温度传感器组27中的各温度传感器按地埋管埋深等分后垂直设置；所述温度传感器组27的引线29放置在套管28内，引线29 —端与数据测量记录装置30相连，另一端穿过套管28与温度传感器组27中的各温度传感器连接；数据测量记录装置30接收并记录相应的温度数据、压力数据和流量数据，所述电磁流量计15、所述压力传感器、所述温度传感器和所述温度传感器组27构成所述的测试系统。测试完毕后，将引线29从套管28中抽出回收；根据测量得到的进、出口水温、土壤温度和水流量数据，通过编制的程序，由计算机31直接计算得到地埋管换热量和土壤的传热系数。[0064]所述套管28靠近并平行地埋管20埋地设置。所述温度传感器组27通过管卡固定在地埋管20的外壁上。所述循环水泵25为变频 泵时，可以可实现变流量测试。所述保温水箱I内设置电加热器2和温度控制器11、12，所述电加热器2和温度控制器11、12连接，所述电加热器2的加热功率可调，所述温度控制器11、12为电子式温度控制器；所述保温水箱I底部设置换热盘管3，所述换热盘管3与制冷装置4相连，所述保温水箱I内设置搅拌器10。所述保温水箱I为有顶盖的长方体或圆筒形容器；所述保温水箱I放置在支架13上。所述保温水箱I底部设置排水管7，顶盖上设置放气阀5和补水管6。所述保温水箱I的侧面设置溢流管8和液位计9。实际应用中，保温水箱I设置在支架13上，这样水箱底部留有一定的空间，该空间可设置排水管7和制冷装置4，当测试完毕后，通过排水管7可方便地将水箱内的水排尽。实际应用中，通过测试装置出、入口压力传感器的压差值，可判断循环管路阻塞或漏水，当出现上述异常情况时，停止循环水泵25。实际应用中，为了降低水箱内水温分布的不均匀性，提高测试时水箱出口水温的稳定性，水箱内设置了搅拌器10，所述搅拌器在测试期间一直工作。搅拌器为电动搅拌器。本实施例提出的搅拌器结构，参照图2，搅拌轴上等距布置两个搅拌笼，每个搅拌笼由六个“[”形不锈钢柱焊接在搅拌轴上构成，相邻不锈钢柱之间的夹角为60°。实际应用中，温度传感器组27中的各传感器由管卡固定在地埋管外壁上，本实施例提出的管卡固定温度传感器的结构，参照图3。管卡由不锈钢卡箍32、带孔的钢板33、螺栓34和螺母35组成，拧紧或拧松螺栓可以调节卡箍的直径，以适应不同直径的地埋管。不锈钢支架36钻有一个通孔，温度传感器放置在通孔内，通过螺栓拧紧固定在不锈钢支架上。卡箍的结构如图4所示。实际应用中，温度传感器组27包括3-4个温度传感器。以下结合本实用新型的流程图1，说明该测试装置测地埋管夏季放热量和冬季取热量的工作流程夏季工况测试经补水管6向保温水箱I注水至水箱溢流口液面，打开阀门14、18、22、26，开启循环水泵25，使循环管路充满水，管路中的气体通过放气阀5排出后，关闭循环水泵25。静置1-2天后，开启温度控制器11，设定水箱内的水温，温度控制器11控制电加热器2的工作，当水箱内水温达到设定值后，开启循环水泵25，并设定水泵的水流量，开始测试，水箱内的水通过水箱出口管路流入地埋管20，水把热量释放给土壤后，经水箱入口管路回到水箱。温度控制器11控制电加热器2产生热量，保证水箱内的水温稳定在设定值(当水箱内的水温高于设定值，温度控制器11控制电加热器2的功率，降低其输出热量，调节温度；当水箱内的水温低于设定值，温度控制器11控制电加热器2的功率，提高其输出热量，调节温度)。当测试工况达到稳定后，水再在水箱和地埋管之间循环24小时，每隔I小时数据测量记录装置30记录一次水量，进、出口水温，进、出口水压和土壤各层温度，最终计算得到水通过地埋管释放给土壤的热量和土壤的传热系数。冬季工况测试经补水管6向保温水箱I注水至水箱溢流口液面，打开阀门14、18、22、26，开启循环水泵25，使循环管路充满水，管路中的气体通过放气阀5排出后，关闭循环水泵25。静置1-2天后，开启温度控制器12和制冷装置4，设定水箱内的水温，温度控制器12控制电加热器2的工作，当水箱内水温达到设定值后，开启循环水泵25，并设定水泵的水流量，开始测试，水箱内的水通过水箱出口管路流入地埋管20，水从土壤吸收热量后，经水箱入口管路回到水箱。为了降低设备投资，制冷装置4采用定频制冷装置，同时为了避免制冷装置频繁启停对压缩机的损害，整个冬季工况测试过程，制冷装置4 一直运行，通过电加热器2的配合工作保证水箱内的水温恒定(当水箱内的水温低于设定值时，温度控制器12开启电加热器2，提高水温；当水箱内的水温高于设定值时，温度控制器12关闭电加热器2)。当测试工况达到稳定后，水再在水箱和地埋管之间循环24小时，每隔I小时数据测量记录装置30记录一次水量，进、出口水温，进、出口水压和土壤各层温度，最终计算得到水通过地埋管从土壤吸收的热量和土壤的传 热系数。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求1.一种土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置，其特征在于该装置包括循环管路系统和测试系统； 所述循环管路系统包括保温水箱(I)、水箱出口管路及水箱入口管路，水箱出口管路和水箱入口管路分别与待测的地埋管(20)连接，水箱出口管路和水箱入口管路上均设置阀门，水箱入口管路上设有循环水泵(25)； 在所述水箱出口管路上设置电磁流量计(15)，在所述水箱出口管路和水箱入口管路上均设置压力传感器和温度传感器，所述电磁流量计(15)、所述压力传感器和所述温度传感器分别通过引线与数据测量记录装置(30)相连，在所述地埋管(20) —侧的外壁上设有温度传感器组(27)，该温度传感器组(27)中的各温度传感器按地埋管埋深等分后垂直设置；所述温度传感器组(27)的引线(29)放置在套管(28)内，引线(29) —端与数据测量记录装置(30)相连，另一端穿过套管(28)与温度传感器组(27)中的各温度传感器连接；所述电磁流量计(15)、所述压力传感器、所述温度传感器和所述温度传感器组(27)构成所述的测试系统。
2.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述套管(28)靠近并平行地埋管(20)埋地设置。
3.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述温度传感器组(27)通过管卡固定在地埋管(20)的外壁上。
4.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述温度传感器组(27)包括3-4个温度传感器。
5.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述循环水泵(25)为变频泵。
6.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述保温水箱(I)内设置电加热器(2)和温度控制器(11、12)，所述电加热器⑵和温度控制器(11、12)连接，所述电加热器(2)的加热功率可调，所述温度控制器(11、12)为电子式温度控制器；所述保温水箱⑴底部设置换热盘管(3)，所述换热盘管(3)与制冷装置(4)相连，所述保温水箱(I)内设置搅拌器(10)。
7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于所述搅拌器(10)的搅拌轴上等距布置两个搅拌笼，每个搅拌笼由六个“[”形不锈钢柱焊接在搅拌轴上构成，相邻不锈钢柱之间的夹角为60°。
8.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述保温水箱(I)为有顶盖的长方体或圆筒形容器；所述保温水箱(I)放置在支架(13)上。
9.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述保温水箱(I)底部设置排水管(7)，顶盖上设置放气阀(5)和补水管(6)。
10.根据权利要求I所述的测试装置，其特征在于所述保温水箱(I)的侧面设置溢流管⑶和液位计(9)。
专利摘要本实用新型公开了属于土壤源热泵地埋管换热性能的测试技术领域的一种土壤源热泵地埋管换热量及土壤热物性测试装置。其包括循环管路系统和测试系统；循环管路系统包括保温水箱、水箱出口管路及水箱入口管路，水箱出口管路和水箱入口管路分别与待测的地埋管连接，水箱出口管路和水箱入口管路上均设置阀门，水箱入口管路上设有循环水泵；电磁流量计、压力传感器、温度传感器和温度传感器组构成测试系统。本实用新型保证了工程实际测试过程中保温水箱出水温度的稳定性和土壤温度测试的合理性，可真实模拟土壤源热泵系统向土壤取热和放热两种运行模式下地埋管的换热能力，测量及计算结果准确且精度高，为土壤源热泵的设计提供准确可靠的基础数据。
文档编号G01K17/08GK202442821SQ201220022918
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者张伟, 时国华, 杨先亮, 浦培林, 赵桂章 申请人:华北电力大学(保定)