專利名稱：地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，屬于淺層地?zé)崮軕?yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；
背景技術(shù)：
地源熱泵技術(shù)，作為清潔能源，有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，與傳統(tǒng)的空氣熱交換技術(shù)相 比，由于利用了大地作為儲能資源，具有夏季儲熱，冬季吸熱的作用，使大地的熱狀態(tài)，處于 冬夏盡可能熱量平衡狀態(tài)；不在空氣中散熱形成“熱島”；又不破壞地下水資源；無污染，以 及可循環(huán)利用的優(yōu)點；符合我國政府向世界承諾的“節(jié)能減排”所需要的技術(shù)；但是，地?zé)?利用的前期投入很大，其中地埋管鉆孔的建設(shè)占了很大部分投資，而如何合理的鉆孔，既充 分的利用地?zé)豳Y源且不造成浪費，如何準(zhǔn)確測定巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)，是關(guān)鍵問題之一；地下?lián)Q熱器的重要傳熱特性是導(dǎo)熱系數(shù)。尊從我國地質(zhì)工作者的習(xí)慣用語，使用 “巖土”名詞表示大地；“有效”指包括了 由地埋管內(nèi)部的水，通過PE管管壁，管外的回填 料，回填料外的巖土層所傳導(dǎo)出的熱量計算出的導(dǎo)熱傳熱；并計入了地下巖土層中以分米 計的微速流動形成的潛水的對流傳熱在內(nèi)；還排除了太陽輻射和大氣溫度全年變化形成的 巖土變溫區(qū)，和實驗裝置的影響因素等對所測地埋管進出口水溫的影響；這樣測出的導(dǎo)熱 系數(shù)，稱為“有效”導(dǎo)熱系數(shù)；其符號均加下標(biāo)“eff”，是英語effective的縮寫。在測定巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)時，所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)， 必須盡可能在未受任何熱擾動的條件下進行實驗；但由于室外不斷變化的大氣溫濕度和日 照輻射，對地下的熱環(huán)境已經(jīng)造成了連續(xù)的熱擾動，擾動深度延續(xù)到地下變溫層與恒溫層 的交界面處，可能深達(dá)30 40米；影響較大的是從地面起至地下深度10米處，影響最嚴(yán)重 的是從地面起至地下2米處；這種擾動形成了地下的熱或冷滯留，影響了測試時的U形地埋 管的進回水溫度；此外，實驗裝置向U形地埋管供水的連接管向巖土層散熱，也嚴(yán)重影響了 U形地埋管回水管的回水溫度上升；以上對于地?zé)崴M出口水溫的影響，最終對于導(dǎo)熱系 數(shù)的實驗數(shù)據(jù)是有影響的；如果從能量平衡的觀點出發(fā)，向U形地埋管系統(tǒng)加載的電制熱 率Q，應(yīng)該等于U形地埋管向巖土層的散熱率Qdissi(W)；系列實驗表明，這些擾動不可忽略 比如，高溫季節(jié)的大氣環(huán)境，包括強烈日照的熱擾動，使得按照公式計算出來的U形地埋管 水系統(tǒng)散熱率Aissi (w)，比向U形地埋管水系統(tǒng)加載的電制熱率Q，w,增加很多；Qdissi (w)的 計算值可以達(dá)到Q值的160%。

發(fā)明內(nèi)容
在于提供一種基于改進了的電制熱率的現(xiàn)場測試系統(tǒng)，基本上除外了大氣溫濕度 包括強烈日照的熱擾動，使得在線熱源理論的近似法基礎(chǔ)上，導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場測試精度提 高，測試結(jié)果的重復(fù)性提高；該地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，含至少四個溫度傳感器，三個壓力 傳感器，·電加熱器及與之相連的數(shù)字電能表，水泵，流量傳感器，膨脹水箱，U形地埋管，循 環(huán)水管，以及主計算機；
其中在所述水泵經(jīng)過循環(huán)水管向所述U形地埋管進水口供水的方向，在循環(huán)進水水管 上，順序裝有加熱功率在2kw 16kw之間的所述電加熱器及與之相連的數(shù)字電能表，所 述第一壓力傳感器P1，所述流量傳感器，所述第二壓力傳感器P2，以及所述第一溫度傳感器 T1;在所述U形地埋管出水口經(jīng)過循環(huán)出水水管向所述水泵回水的方向，在該循環(huán)出 水水管上，順序裝有所述膨脹水箱，所述第二溫度傳感器T2,以及所述第三壓力傳感器P3 ；所述第三溫度傳感器T3,裝于所述U形地埋管垂直管段進水部分，用于測定該U形 地埋管實際進水部分溫度； 所述第四溫度傳感器T4,裝于所述U形地埋管垂直管段出水部分，用于測定該U形 地埋管實際出水部分溫度；所述第三溫度傳感器T3和第四溫度傳感器T4,處于同一水平位置，其埋深都位于 地下2米至20米的范圍內(nèi)，用于除外室外熱擾動的影響；所述數(shù)字電能表的輸入端與所述電加熱器的輸出端相連，該數(shù)字電能表的數(shù)字輸 出端與主計算機的輸入端相接，用于測定電加熱器的制熱功率；所述主計算機，設(shè)有三個壓力信號輸入端，分別與所述第一壓力傳感器P1,所述 第二壓力傳感器p2，以及所述第三壓力傳感器P3各自的壓力信號的輸出端相連；該主計算機還設(shè)有至少四個水溫度信號輸入端，其中第一溫度傳感器T1輸入 所述U形地埋管進水溫度，第二溫度傳感器T2輸入所述U形地埋管回水溫度，第三溫度傳 感器T3輸入所述U形地埋管垂直管段內(nèi)進水部分的水溫，第四溫度傳感器T4輸入所述U形 地埋管垂直管段內(nèi)出水部分的水溫；該主計算機還設(shè)有巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)計算模塊，依次按照以下步驟，計算巖土有 效導(dǎo)熱系數(shù)步驟(1)，測定所述電加熱器的恒定電制熱率Q，以及所述水泵散入水中的散熱率 Qpump，其散熱率Qpump是給定的，并輸入主計算機，Q =數(shù)字電能表輸出的數(shù)字功率X (5 10 分鐘)，單位是W;步驟(2)，每間隔所述5 10分鐘，在50小時內(nèi)，逐一測定所述四個溫度傳感器
的溫度測定值，Tli, T2i，T3i，T4i，，其中下標(biāo)i為測定時刻的序號，i = 1,2,......, η ;n =
600 300，并按照以下公式，計算平均有效加熱率的修正值
[0019
權(quán)利要求
1.地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，含有至少四個溫度傳感器， 三個壓力傳感器，電加熱器及與之相連的數(shù)字電能表，水泵，流量傳感器，膨脹水箱，U形地 埋管，循環(huán)水管，以及主計算機； 其中在所述水泵經(jīng)過循環(huán)水管向所述U形地埋管進水口供水的方向，在循環(huán)進水水管上， 順序裝有加熱功率在2kw 16kw之間的所述電加熱器及與之相連的數(shù)字電能表，所述第 一壓力傳感器P1，所述流量傳感器，所述第二壓力傳感器P2,以及所述第一溫度傳感器T1 ； 在所述U形地埋管出水口經(jīng)過循環(huán)出水水管向所述水泵回水的方向，在該循環(huán)出水水 管上，順序裝有所述膨脹水箱，所述第二溫度傳感器T2,以及所述第三壓力傳感器P3 ；所述第三溫度傳感器T3,裝于所述U形地埋管垂直管段進水部分，用于測定該U形地埋 管實際進水部分溫度；所述第四溫度傳感器T4,裝于所述U形地埋管垂直管段出水部分，用于測定該U形地埋 管出水部分溫度；所述第三溫度傳感器T3和第四溫度傳感器T4,處于同一水平位置，都位于地下2米至 地下變溫層與恒溫層的交界處的范圍內(nèi)，用于除外室外熱擾動的影響；所述數(shù)字電能表的輸入端與所述電加熱器的輸出端相連，該數(shù)字電能表的數(shù)字輸出端 與主計算機的輸入端相接，用于測定電加熱器的制熱功率；所述主計算機，設(shè)有三個壓力信號輸入端，分別與所述第一壓力傳感器P1，所述第二 壓力傳感器P2,以及所述第三壓力傳感器P3各自的壓力信號的輸出端相連；該主計算機還設(shè)有至少四個水溫度信號輸入端，其中第一溫度傳感器T1輸入所述U 形地埋管進水溫度，第二溫度傳感器T2輸入所述U形地埋管回水溫度，第三溫度傳感器T3 輸入所述U形地埋管垂直管段內(nèi)進水部分的水溫，第四溫度傳感器T4輸入所述U形地埋管 垂直管段內(nèi)出水部分的水溫；該主計算機還設(shè)有巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)計算模塊，依次按照以下步驟，計算巖土有效導(dǎo) 熱系數(shù)步驟(1)，測定所述電加熱器的恒定電制熱率Q，以及所述水泵向循環(huán)水系統(tǒng)的散熱率 Qpump，其散熱率Qpump是給定的，并輸入主計算機，Q =數(shù)字電能表輸出的數(shù)字功率X (5 10 分鐘)，單位是W;步驟(2)，每間隔所述5 10分鐘，在50小時內(nèi)，逐一測定所述四個溫度傳感器的溫 度測定值，Tli, T2i，T3i，T4i，，其中下標(biāo)i為測定時刻的序號，i = 1,2,……，n ;n = 600 300，并按照以下公式，計算平均有效加熱率的修正值1 ηAQi = PC ^i(T3i-Tli)+ (T2i-T4i)}, 式中P -水的密度kg/m3 ；水的容積流量m3/s ； C-水的定壓比熱kJ/kg.K ；AQi-時刻i-Ι至?xí)r刻i的時間區(qū)間內(nèi)的加熱率修正值，W ；步驟(3)，按照下式，計算步驟O)中平均有效加熱率的修正值A(chǔ)Qare:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，所 述壓力傳感器，溫度傳感器，流量傳感器，以及數(shù)字電能表的輸出，都是無線式的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，所 述U形地埋管是單U型管，雙U型管，或W型管中的任何一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，所 述電加熱器，是半導(dǎo)體陶瓷合成物或其他材料組成的即熱式，或電阻式中的任何一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，所 述第三溫度傳感器τ3，第溫度傳感器T4,其埋深應(yīng)在地平面下2 20米范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，從 所述第一溫度傳感器T1至第三溫度傳感器T3,第二溫度傳感器T2至第四溫度傳感器T4之 間的水平管道，經(jīng)過向下的彎頭，向U形地埋管的垂直方向1 2米距離內(nèi)，必須是保溫的； 系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水管及機組外殼也是保溫的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，對 于各傳感器經(jīng)過變送的輸出值精度，均應(yīng)滿足溫度T-士0. 1°C，流量f士0.5%，的 要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于，對 于所述的電制熱率Q的控制精度一士0. 5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，其特征在于， 對于所述的電制熱率Q的控制精度為標(biāo)準(zhǔn)誤差不大于士 1.5%，最大瞬時誤差不大于 士 10 %，所使用電能表的儀表精度為一士0. 5 %。
全文摘要
地源熱泵巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定系統(tǒng)，屬于淺層地?zé)崮軕?yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于含有至少四個溫度傳感器，電加熱器及與之相連的數(shù)字電能表，壓力傳感器，水泵，流量傳感器，膨脹水箱，U形地埋管，循環(huán)水管，及主計算機；在U形地埋管的供，回水垂直管道上，距地面2米處至變溫層與恒溫層交界處，選擇合適位置設(shè)置供，回水溫度傳感器；該主計算機在計算巖土導(dǎo)熱系數(shù)時，在50小時內(nèi)，每間隔5～10分鐘，測定一次上述全部傳感器數(shù)據(jù)，得出加熱率的修正值；修正后，除外了大部分熱擾，使U形地埋管所散出的有效散熱率Qdissi.eff，與有效加熱率Qeff基本上平衡，提高了以線熱源法為基礎(chǔ)的巖土有效導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場測定值的精度和數(shù)據(jù)的重復(fù)性。
文檔編號G01N25/18GK102116749SQ20101000015
公開日2011年7月6日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者丁良士, 姜睿, 張亞庭, 戴九霄, 王瑞華, 趙衛(wèi)杰, 陳修哲, 魏俊輝 申請人:北京工業(yè)大學(xué), 北京楓葉能源科技有限公司, 南京楓葉能源技術(shù)有限公司