專利名稱：淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地源熱物理領(lǐng)域，涉及一種淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
地源熱泵技術(shù)以其節(jié)約化石能源和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)在歐美等國家早已廣泛應(yīng)用。但該技術(shù)在我國推廣過程中面臨一個(gè)主要的技術(shù)問題，即地層的熱物性大都來自實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，甚至相當(dāng)一部分工程設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)和估算。由于地層熱物性參數(shù)是影響地源熱泵地下埋管長(zhǎng)度的主要因素，尤其對(duì)于大型的垂直埋管熱泵系統(tǒng)，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地層熱物性原位測(cè)試，
以得到較準(zhǔn)的鉆孔地層平均導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔的熱阻。自1996年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地層熱物性設(shè)備以來，已有20多個(gè)國家擁有了相同或相近的設(shè)備。北京工業(yè)大學(xué)2007年碩士畢業(yè)論文《熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用的研究》中所介紹地?zé)釤嵛镄詼y(cè)試儀采用電加熱器作為熱源，雖然能控制熱流密度的大小，但是只能進(jìn)行往地下土壤中輸送熱量的測(cè)試，而不能進(jìn)行從地下土壤中提取熱量的測(cè)試。2007年8月由中國資源綜合利用協(xié)會(huì)地溫資源綜合利用專業(yè)委員會(huì)舉辦的地溫能與熱泵技術(shù)應(yīng)用高層論壇中論文《地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器熱(冷)響應(yīng)測(cè)試車研制》中所介紹的由北京華清集團(tuán)研制的熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備采用了熱泵做為熱源或冷源，但是并有熱流密度的自動(dòng)控制功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能模擬地源熱泵系統(tǒng)制冷運(yùn)行工況又能模擬供暖運(yùn)行工況的淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是包括至少一個(gè)排氣裝置， 一個(gè)循環(huán)水泵、水泵前后至少一個(gè)溫度傳感器，至少一個(gè)熱泵，熱泵后至少一個(gè)溫度傳感器， 一個(gè)排氣閥，壓力變送器、 一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)電磁流量計(jì)，控制裝置，測(cè)試儀還包括一個(gè)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥后的支路I， 一個(gè)冷凝器和一個(gè)溫度傳感器；排氣裝置依次與置于水泵前的溫度傳感器、循環(huán)水泵、置于水泵后的溫度傳感器、熱泵、置于熱泵后的溫度傳感器、電動(dòng)
4三通分流調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、置于三通分流后的溫度傳感器、電磁流量計(jì)相連；冷凝器依次與排氣閥、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥；壓力變送器與
電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥之間引出一個(gè)管路依次與溫度傳感器、冷凝器相
連；水箱上一個(gè)管路通過閥門I連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度
傳感器之間，水箱上另一個(gè)管路通過閥門n連接到排氣裝置和置于水泵
前的溫度傳感器之間并引出一個(gè)進(jìn)水口；置于水泵后的溫度傳感器和熱泵之間引出一個(gè)管路通過閥門III連接到電磁流量計(jì)后端，控制裝置中的溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置分別與置于熱泵后的溫度傳感器和置于三通分流后的溫度傳感器和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器相連，溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，置于三通分流后的溫度傳感器和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器分別與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥的分流比例的裝置相連。所述的電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制裝置包括，
1) 采集置于熱泵后的溫度傳感器和溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置；
2) 通過所采集的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥的分流比例的裝置；
3) 采集置于三通分流后的溫度傳感器和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置；
4) 通過置于三通分流后的溫度傳感器和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥的分流比例的裝置。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，該測(cè)試采用熱泵作為冷、熱源可以進(jìn)行供冷或供熱工況下的巖土體熱物性測(cè)試；研究熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能以及大地溫度場(chǎng)的恢復(fù)狀態(tài)等；測(cè)量設(shè)備精度較高，測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；采用電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥保證輸入或提取的熱量恒定，便于應(yīng)用現(xiàn)有恒熱流傳熱模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明電動(dòng)三通分流控制流程圖3為測(cè)試儀的電氣控制原理圖
圖4為熱物性測(cè)試過程示意圖5為測(cè)試儀輸入地下的熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線圖；圖6為計(jì)算擬合曲線圖。
具體實(shí)施例方式
包括至少一個(gè)排氣裝置1， 一個(gè)循環(huán)水泵4、水泵前后至少一個(gè)溫
度傳感器3和5，至少一個(gè)熱泵7，熱泵后至少一個(gè)溫度傳感器8， 一個(gè)排氣閥ll，壓力變送器17、 一個(gè)溫度傳感器18和一個(gè)電磁流量計(jì)19，控制裝置26，其特征是，測(cè)試儀還包括一個(gè)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10，調(diào)節(jié)閥后的支路I， 一個(gè)冷凝器13和一個(gè)溫度傳感器15;排氣裝置1依次與置于水泵前的溫度傳感器3、循環(huán)水泵4、置于水泵后的溫度傳感器5、熱泵7、置于熱泵后的溫度傳感器8、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10、壓力變送器17、置于三通分流后的溫度傳感器18、電磁流量計(jì)19相連；冷凝器13依次與排氣閥11、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10;壓力變送器17與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥IO之間引出一個(gè)管路依次與溫度傳感器15、冷凝器13相連；水箱25上一個(gè)管路通過閥門121連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器3之間，水箱25上另一個(gè)管路通過闊門1123連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器3之間并引出一個(gè)進(jìn)水口；置于水泵后的溫度傳感器5和熱泵7之間引出一個(gè)管路通過閥門11124連接到電磁流量計(jì)19后端；控制裝置26中的溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置分別與置于熱泵后的溫度傳感器8和溫度傳感器15和置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器3相連，溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器3分別與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10的分流比例的裝置相連。所述的控制裝置26包括，
1) 采集置于熱泵后的溫度傳感器8和溫度傳感器15的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置27;
2) 通過所采集的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10的分流比例的裝置28;
3) 采集置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器3的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置29;
4) 通過置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器3的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10的分流比例的裝置30。
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
6圖1簡(jiǎn)單清楚地描述了測(cè)試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)關(guān)系。從循環(huán)管道的入口端A開始，至少一個(gè)排氣裝置l， 一個(gè)循環(huán)水泵4、水泵前后至
少一個(gè)溫度傳感器3和5，至少一個(gè)熱泵7，熱泵后至少一個(gè)溫度傳感器8， 一個(gè)排氣閥11，壓力變送器17、 一個(gè)溫度傳感器18和一個(gè)電磁流量計(jì)19，控制裝置26，其特征是，測(cè)試儀還包括一個(gè)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10，調(diào)節(jié)閥后的支路I， 一個(gè)冷凝器13和一個(gè)溫度傳感器15;排氣裝置1依次與置于水泵前的溫度傳感器3、循環(huán)水泵4、置于水泵后的溫度傳感器5、熱泵7、置于熱泵后的溫度傳感器8、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10、壓力變送器17、置于三通分流后的溫度傳感器18、電磁流量計(jì)19相連；冷凝器13依次與排氣閥11、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10;壓力變送器17與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥IO之間引出一個(gè)管路依次與溫度傳感器15、冷凝器13相連；水箱25上一個(gè)管路通過閥門121連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器3之間，水箱25上另一個(gè)管路通過閥門1123連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器3之間并引出一個(gè)進(jìn)水口 ；置于水泵后的溫度傳感器5和熱泵7之間引出一個(gè)管路通過閥門I1124連接到電磁流量計(jì)19后端。
圖2給出了電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制流程圖，計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥分流比例的裝置28通過溫度采集及數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置27，根據(jù)溫度傳感器8和15的溫度來計(jì)算向?qū)?yīng)的分流比例。同時(shí)，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥分流比例的裝置30通過溫度采集及數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置29，根據(jù)溫度傳感器18和3的反饋溫度來對(duì)計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥分流比例的裝置28的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正調(diào)整。
圖3繪制的是測(cè)試儀的電氣控制原理圖。系統(tǒng)總電源開關(guān)DZ1與外接220V交流電源相連；熱泵電源經(jīng)熱泵供電保護(hù)開關(guān)DZ2、"啟動(dòng)/停止"無觸點(diǎn)開關(guān)KM1與總電源相連;水泵電源經(jīng)水泵供電保護(hù)開關(guān)DZ3、"啟動(dòng)/停止"無觸點(diǎn)開關(guān)KM2與總電源相連；輔助電源經(jīng)輔助設(shè)備供電保護(hù)空開DZ4、"啟動(dòng)/停止"無觸點(diǎn)開關(guān)KM3與總電源相連；熱泵、水泵、輔助用電設(shè)備并聯(lián)。電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥電源經(jīng)調(diào)節(jié)閥供電保護(hù)開關(guān)DZ5與輔助電源相連；報(bào)警器經(jīng)"示警開/示警停"無觸點(diǎn)開關(guān)KM4與輔助電源相連；測(cè)試儀內(nèi)的照明燈經(jīng)供電保護(hù)空開DZ6與輔助電源相連；電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥、車內(nèi)照明和報(bào)警器并聯(lián)。"手動(dòng)/自動(dòng)"控制功能選擇開關(guān)K2、控制切換無觸點(diǎn)開關(guān)KM5與常閉急停開關(guān)K3串聯(lián)于電源火線。手動(dòng)控制接通時(shí)，KM5線圈通電，熱泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-1吸合，熱泵電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN1和AN2與KM1線圈串聯(lián)，AN1與KM1其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)；水泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-2吸合，水泵電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN3和AN4與KM2線圈串聯(lián)，AN3與KM2其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)；輔助設(shè)備支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-3吸合，輔助電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN5和AN6與KM3線圈串聯(lián)，AN5與KM3其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián);報(bào)警器支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-4吸合，報(bào)警器電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN7和AN8與KM4線圈串聯(lián)，AN7與KM4其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)。自動(dòng)控制接通時(shí)，KM5線圈不通電。熱泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-1不吸合，熱泵電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)PO0與KM1線圈串聯(lián)；水泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-2不吸合，水泵電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)POl與KM2線圈串聯(lián)；輔助設(shè)備電源支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-3不吸合，輔助設(shè)備電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)P02與KM3線圈串聯(lián)；報(bào)警器支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-4不吸合，報(bào)警器電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)P03與KM4線圈串聯(lián)。
圖4是熱物性測(cè)試方法及流程圖。測(cè)試時(shí)，在將要埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、埋管并回填，鉆孔直徑和深度、埋管類型和尺寸以及回填材料與實(shí)際設(shè)計(jì)一致。鉆孔中的U形管換熱器與測(cè)試儀管道入口端A和出口端B相連；開啟閥門22，關(guān)閉其余閥門，為水箱充水；開啟閥20、21、 22、 24，其余閥門關(guān)閉，清洗地埋管，并將流體注滿管道，管道中的氣體由排氣裝置1和11排出。測(cè)試儀正常工作時(shí)，關(guān)閉閥22、 23、24，其余閥門打開，溫度傳感器3采集地下埋管流體出井溫度T1，經(jīng)循環(huán)水泵后，溫度傳感器5采集水泵后溫度T2，然后流體進(jìn)入熱泵機(jī)組，經(jīng)加熱或制冷后，由溫度傳感器8采集熱泵出口溫度T3，流體流經(jīng)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥后，支路I流體流向排氣裝置11和冷凝器，由溫度傳感器15測(cè)量冷凝器出口溫度后匯合到進(jìn)井管路，在流經(jīng)壓力傳感器和電磁流量計(jì)后即進(jìn)入地下埋管形成封閉循環(huán)。測(cè)試儀還配有三個(gè)功率傳感器分別采集水泵、熱泵和所有用電設(shè)備總功率。測(cè)試時(shí)，可選擇熱泵制冷或供暖運(yùn)行模式連續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)以上，根據(jù)這段時(shí)間內(nèi)采集的埋管換熱器的進(jìn)出水口溫度、流量值、熱泵制熱或制冷量等數(shù)據(jù)，利用傳熱學(xué)理論應(yīng)用MATLAB軟件結(jié)合參數(shù)估計(jì)法計(jì)算鉆孔周圍巖土體的平均
熱物性參數(shù)。參數(shù)估計(jì)法計(jì)算公式為
,=1
將通過傳熱模型得到的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使方差和
取得最小值時(shí)計(jì)算出的熱物性參數(shù)就是所求的結(jié)果。式中，T^,i為第i 時(shí)刻由傳熱模型計(jì)算出的管內(nèi)流體平均溫度；T，為第i時(shí)刻實(shí)際測(cè)量 的管內(nèi)流體平均溫度；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組數(shù)。
與地下埋管換熱器相連的管道系統(tǒng)、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控 制系統(tǒng)。從循環(huán)管道的入口端A開始， 一個(gè)排氣裝置1， 一個(gè)格蘭富 CRE1-11變頻離心泵4、水泵前后各一個(gè)PT1000熱敏電阻型溫度傳感器 3和5， 一個(gè)沃富PH004水風(fēng)一體式熱泵7，熱泵后一個(gè)PT1000熱敏電 阻型溫度傳感器8， 一個(gè)排氣閥ll， 一個(gè)PS-Bt型壓力變送器17、 一個(gè) PT1000熱敏電阻型溫度傳感器18和一個(gè)PS-F2-HXLDE型電磁流量計(jì) 19，控制裝置26，其特征是，測(cè)試儀還包括一個(gè)381LSA-20型電動(dòng)三 通分流調(diào)節(jié)閥IO，調(diào)節(jié)閥后的支路I， 一個(gè)冷凝器13和一個(gè)PT1000熱 敏電阻型溫度傳感器15;排氣裝置1依次與置于水泵前的溫度傳感器3、 循環(huán)水泵4、置于水泵后的溫度傳感器5、熱泵7、置于熱泵后的溫度傳 感器8、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥IO、壓力變送器17、置于三通分流后的溫 度傳感器18、電磁流量計(jì)19相連；冷凝器13依次與排氣閥11、電動(dòng) 三通分流調(diào)節(jié)閥10;壓力變送器17與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥IO之間引出 一個(gè)管路依次與溫度傳感器15、冷凝器13相連；水箱25上一個(gè)管路通 過閥門121連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器3之間，水箱 25上另一個(gè)管路通過閥門I123連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度 傳感器3之間并引出一個(gè)進(jìn)水口；置于水泵后的溫度傳感器5和熱泵7 之間引出一個(gè)管路通過閥門III24連接到電磁流量計(jì)19后端；控制裝置 26中的溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置分別與置于熱泵后的溫度傳感器8和溫 度傳感器15和置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫 度傳感器3相連，溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，置于三通分流后的溫度傳 感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器3分別與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥 IO的分流比例的裝置相連。所述的控制裝置包括，
1) 采集置于熱泵后的溫度傳感器8和溫度傳感器15的溫度數(shù)據(jù)并
進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置；
2) 通過所采集的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥IO的分流比例 的裝置；
3) 采集置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度 傳感器3的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置；
4) 通過置于三通分流后的溫度傳感器18和置于循環(huán)水泵前的溫度 傳感器3的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥10的分流比例的裝置。
所述的電氣控制系統(tǒng)總電源開關(guān)DZ1與外接220V交流電源相連； 熱泵電源經(jīng)熱泵供電保護(hù)開關(guān)DZ2、"啟動(dòng)/停止"無觸點(diǎn)開關(guān)KM1與 總電源相連；水泵電源經(jīng)水泵供電保護(hù)開關(guān)DZ3、"啟動(dòng)/停止"無觸點(diǎn) 開關(guān)KM2與總電源相連；輔助電源經(jīng)輔助設(shè)備供電保護(hù)空開DZ4、"啟 動(dòng)/停止"無觸點(diǎn)開關(guān)KM3與總電源相連；熱泵、水泵、輔助用電設(shè)備 并聯(lián)。電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥電源經(jīng)調(diào)節(jié)閥供電保護(hù)開關(guān)DZ5與輔助電源相 連；報(bào)警器經(jīng)"示警開/示警停"無觸點(diǎn)開關(guān)KM4與輔助電源相連；測(cè) 試儀內(nèi)的照明燈經(jīng)供電保護(hù)空開DZ6與輔助電源相連；電動(dòng)三通調(diào)節(jié) 閥、車內(nèi)照明和報(bào)警器并聯(lián)。"手動(dòng)/自動(dòng)"控制功能選擇開關(guān)K2、控 制切換無觸點(diǎn)開關(guān)KM5與常閉急停開關(guān)K3串聯(lián)于電源火線。
電氣控制系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)手動(dòng)控制接通時(shí)，KM5線圈通電，熱泵支 路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-1吸合，熱泵電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN1和 AN2與KM1線圈串聯(lián)，AN1與KM1其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)；水泵支路無 觸點(diǎn)開關(guān)KM5-2吸合，水泵電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN3和AN4 與KM2線圈串聯(lián)，AN3與KM2其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)；輔助設(shè)備支路無觸 點(diǎn)開關(guān)KM5-3吸合，輔助電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN5和AN6與 KM3線圈串聯(lián)，AN5與KM3其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)；報(bào)警器支路無觸點(diǎn)開 關(guān)KM5-4吸合，報(bào)警器電源"啟動(dòng)/停止"手動(dòng)開關(guān)AN7和AN8與KM4 線圈串聯(lián)，AN7與KM4其中一對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)。自動(dòng)控制接通時(shí)，KM5線 圈不通電。熱泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-1不吸合，熱泵電源"啟動(dòng)/停止" 自動(dòng)開關(guān)PO0與KM1線圈串聯(lián)；水泵支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-2不吸合， 水泵電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)POl與KM2線圈串聯(lián)；輔助設(shè)備電源支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-3不吸合，輔助設(shè)備電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)
P02與KM3線圈串聯(lián)；報(bào)警器支路無觸點(diǎn)開關(guān)KM5-4不吸合，報(bào)警器 電源"啟動(dòng)/停止"自動(dòng)開關(guān)P03與KM4線圈串聯(lián)。
淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀的測(cè)試方法是在將要埋設(shè)地?zé)?換熱器的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、埋管并回填，鉆孔直徑和深度、埋管類型和尺寸以 及回填材料與實(shí)際設(shè)計(jì)一致。鉆孔中的U形管換熱器與測(cè)試儀管道入口
端A和出口端B相連；開啟閥門22，關(guān)閉其余閥門，為水箱充水；開
啟閥20、 21、 22、 24，其余閥門關(guān)閉，清洗地埋管，并將流體注滿管道， 管道中的氣體由排氣裝置1和11排出。測(cè)試儀正常工作時(shí)，關(guān)閉閥22、 23、 24，其余閥門打開，溫度傳感器3采集地下埋管流體出井溫度T1， 經(jīng)循環(huán)水泵后，溫度傳感器5采集水泵后溫度T2，然后流體進(jìn)入熱泵機(jī) 組，經(jīng)加熱或制冷后，由溫度傳感器8采集熱泵出口溫度T3，流體流經(jīng) 電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥后，支路I流體流向排氣裝置11和冷凝器，由溫度 傳感器15測(cè)量冷凝器出口溫度后匯合到進(jìn)井管路，在流經(jīng)壓力傳感器 和電磁流量計(jì)后即進(jìn)入地下埋管形成封閉循環(huán)。測(cè)試儀還配有三個(gè)功率 傳感器分別采集水泵、熱泵和所有用電設(shè)備總功率。測(cè)試時(shí)，可選擇熱 泵制冷或供暖運(yùn)行模式連續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)以上，根據(jù)這段時(shí)間內(nèi)采集的 埋管換熱器的進(jìn)出水口溫度、流量值、熱泵制熱或制冷量等數(shù)據(jù)，利用 傳熱學(xué)理論應(yīng)用MATLAB軟件結(jié)合參數(shù)估計(jì)法計(jì)算鉆孔周圍巖土體的 平均熱物性參數(shù)。參數(shù)估計(jì)法計(jì)算公式為
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將通過傳熱模型得到的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使方差和 取得最小值時(shí)計(jì)算出的熱物性參數(shù)就是所求的結(jié)果。式中，T^,i為第i 時(shí)刻由傳熱模型計(jì)算出的管內(nèi)流體平均溫度；T，,i為第i時(shí)刻實(shí)際測(cè)量 的管內(nèi)流體平均溫度；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組數(shù)。
鉆孔深度88m，孔徑180mm，雙U型地下埋管換熱器，埋管內(nèi)徑 25mm，地下巖土初始溫度10.2°C，孔徑鉆孔熱流密度62w/m，地層在 孔深范圍內(nèi)為3m回填土、 25m黃土層，其余為紅泥巖。
采用熱泵作為冷、熱源時(shí)，由于熱泵的功率隨流體進(jìn)口溫度的變化而變化，因而無法完全保證測(cè)試過程中向地下輸入或提取恒定的熱量。 測(cè)試儀加上電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥和冷凝器后，從圖6中可以看出，輸入
鉆孔的熱量自開啟熱泵約5個(gè)小時(shí)候后基本保持在5.4kW左右，因而可
以保證輸入地下的熱量恒定。因而可以直接利用線源模型和柱源模型來 分析計(jì)算土層的熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉆孔熱阻。
計(jì)算熱物性參數(shù)時(shí)，用MATLAB編制計(jì)算程序，按照工程經(jīng)驗(yàn)對(duì) 土層熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉆孔熱阻進(jìn)行初始賦值，利用最小二乘法進(jìn)行擬合， 使由計(jì)算模型求出的埋管中流體的平均溫度和實(shí)際測(cè)量的溫度的方差 和最小，此時(shí)，調(diào)整后的值就是求得的平均巖土熱物性值。如果誤差比 較大，可以通過修改初始賦值來改進(jìn)計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，利用線源模型 得到的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)1=2.4284 W/m.K，熱阻R=0.1017m2'K/W;利用 柱源模型計(jì)算的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)X= 2.1644 W/nvK，鉆孔熱阻 R=0.0862m2*K/W。參數(shù)計(jì)算擬合曲線如圖6所示。
權(quán)利要求
1. 一種淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀，包括至少一個(gè)排氣裝置(1)，一個(gè)循環(huán)水泵(4)、水泵前后至少一個(gè)溫度傳感器(3)和(5)，至少一個(gè)熱泵(7)，熱泵后至少一個(gè)溫度傳感器(8)，一個(gè)排氣閥(11)，壓力變送器(17)、一個(gè)溫度傳感器(18)和一個(gè)電磁流量計(jì)(19)，控制裝置(26)。，其特征是，測(cè)試儀還包括一個(gè)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)，調(diào)節(jié)閥后的支路I，一個(gè)冷凝器(13)和一個(gè)溫度傳感器(15)；排氣裝置1依次與置于水泵前的溫度傳感器(3)、循環(huán)水泵(4)、置于水泵后的溫度傳感器(5)、熱泵(7)、置于熱泵后的溫度傳感器(8)、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)、壓力變送器(17)、置于三通分流后的溫度傳感器(18)、電磁流量計(jì)(19)相連；冷凝器(13)依次與排氣閥(11)、電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)；壓力變送器(17)與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)之間引出一個(gè)管路依次與溫度傳感器(15)、冷凝器(13)相連；水箱(25)上一個(gè)管路通過閥門I(21)連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器(3)之間，水箱(25)上另一個(gè)管路通過閥門II(23)連接到排氣裝置1和置于水泵前的溫度傳感器(3)之間并引出一個(gè)進(jìn)水口；置于水泵后的溫度傳感器(5)和熱泵(7)之間引出一個(gè)管路通過閥門III24連接到電磁流量計(jì)(19)后端；控制裝置(26)中的溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置分別與置于熱泵后的溫度傳感器(8)和溫度傳感器(15)和置于三通分流后的溫度傳感器(18)和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器(3)相連，溫度采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，置于三通分流后的溫度傳感器(18)和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器(3)分別與電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)的分流比例的裝置相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀，其特征是，所述的控制裝置包括，1) 采集置于熱泵后的溫度傳感器(8)和溫度傳感器(15)的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置(27);2) 通過所采集的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)的分流比例的裝置(28);3) 采集置于三通分流后的溫度傳感器(18)和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器(3)的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的裝置(29);4)通過置于三通分流后的溫度傳感器(18)和置于循環(huán)水泵前的溫度傳感器(3)的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥(10)的分流比例的裝置(30)。
全文摘要
本發(fā)明屬于地源熱物理領(lǐng)域，涉及一種淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀。包括至少一個(gè)排氣裝置，一個(gè)循環(huán)水泵、水泵前后至少一個(gè)溫度傳感器，至少一個(gè)熱泵，熱泵后至少一個(gè)溫度傳感器，一個(gè)排氣閥，壓力變送器、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)電磁流量計(jì)，控制裝置，測(cè)試儀還包括一個(gè)電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥后的支路I，一個(gè)冷凝器和一個(gè)溫度傳感器；本發(fā)明采用熱泵作為冷、熱源可以進(jìn)行供冷或供熱工況下的巖土體熱物性測(cè)試；研究熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能以及大地溫度場(chǎng)的恢復(fù)狀態(tài)等；測(cè)量設(shè)備精度較高，測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；采用電動(dòng)三通分流調(diào)節(jié)閥保證輸入或提取的熱量恒定，便于應(yīng)用現(xiàn)有恒熱流傳熱模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101477071SQ20081024109
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者劉冬生, 吳曉寒, 孫友宏, 楠 張, 李淑穎, 王慶華, 陳昌富 申請(qǐng)人:中航勘察設(shè)計(jì)研究院