專利名稱：地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于暖通空調(diào)新技術(shù)地源熱泵地埋管系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及 地下?lián)Q熱器周圍地層的原位熱物性及地埋管換熱量的測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
隨著地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用，大量地源熱泵工程有成功有失敗，究其原 因主要是地源熱泵的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了較大的偏差。目前地源熱泵的設(shè)計(jì)主要是依賴國(guó)外的 經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際的地質(zhì)條件、水文條件和地溫分布條件來(lái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn) 室的地層熱物性測(cè)試在取樣、運(yùn)輸、測(cè)試等一系列過(guò)程中無(wú)可避免的破壞了地層的原位特 性，不能真實(shí)地反映鉆孔周圍地層的綜合熱物性參數(shù)，因而2005年11月發(fā)布的《地源熱泵 系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(2009年版)規(guī)定了當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積在5000m2 以上，或?qū)嵤┝说貙訜犴憫?yīng)試驗(yàn)的項(xiàng)目，應(yīng)利用地層熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行地埋管換熱器的 設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)有不少科研單位或?qū)W校研制了地層熱響應(yīng)測(cè)試儀，但是現(xiàn)有的設(shè)備存在 著以下不足不能同時(shí)模擬換熱量和熱導(dǎo)率測(cè)試兩種模式；因?yàn)榕渲昧怂洌瑯O大地增加 了系統(tǒng)的體積，運(yùn)輸不便；系統(tǒng)運(yùn)行還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有地源熱泵現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試裝置的不足之處，提供了 一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，該測(cè)試儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方 便、成本低、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案一種地源熱泵的地層原位 熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，其特征在于該裝置包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系 統(tǒng)。其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器1、循環(huán)水泵2、電加熱器3、膨脹罐4、排氣閥7、特 制接頭14、U型地埋管15、三通閥8和補(bǔ)水閥9所構(gòu)成，流量傳感器1 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試 儀入口 A端連接，該段管道上接有三通閥8，測(cè)試儀補(bǔ)水口 C端接在三通閥8下端管道上，在 測(cè)試儀補(bǔ)水口 C端管道上接有補(bǔ)水閥9，流量傳感器1的另一側(cè)通過(guò)管道和循環(huán)水泵2相 接，循環(huán)水泵2上部通過(guò)管道與電加熱器3下部連接，電加熱器3上部通過(guò)管道與膨脹罐4 相連，電加熱器3的一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀出口 B端連接，該處管道上接有排氣閥7，測(cè)試儀 入口 A端通過(guò)特制接頭14與U型地埋管15的出口連接，測(cè)試儀出口 B端通過(guò)特制接頭14 與U型地埋管15的入口連接；測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器1、溫度傳感器5、壓力傳感器6、功率傳感器13所構(gòu)成，流 量傳感器1 一端接在測(cè)試儀入口 A端管道上，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12相連，在流量傳感器1 和測(cè)試儀入口 A端相連接的管道上及電加熱器3和測(cè)試儀出口 B端相連接的管道上分別安 裝T1和T2溫度傳感器5及P1和P2壓力傳感器6，在測(cè)試儀箱體內(nèi)部和外部分別布置T3和
3T4溫度傳感器5，所述的 \、T2、T3、T4溫度傳感器5、P1和P2壓力傳感器6的另一端和監(jiān)控 系統(tǒng)12相連，功率傳感器13 —端和電加熱器3相連，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12相連；監(jiān)控系統(tǒng)12由儀表系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成，其中儀表系統(tǒng)的模擬量測(cè)量模塊 一端與流量傳感器1、溫度傳感器5、壓力傳感器6、功率傳感器13相連接，另一端與A/D轉(zhuǎn) 換模擬輸入模塊相連接，PLC —端和A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連接，另一端通過(guò)系統(tǒng)I/O 口 與人機(jī)界面、開(kāi)關(guān)量輸出相連接，人機(jī)界面與U盤存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)連接，另為系統(tǒng)提供配套 電源及風(fēng)扇；操作控制系統(tǒng)的組成為220V交流電源，該電源通過(guò)相序保護(hù)繼電器與儀表 開(kāi)關(guān)、儀表電源連接；同時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11與儀表電源并聯(lián)；通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 11上的旋鈕開(kāi)度來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)380V交流電源10通過(guò)相序保護(hù)繼電器、接觸器開(kāi) 關(guān)與電加熱器3連接，電加熱器3與功率傳感器13輸入端相連，以上所有電源均來(lái)自于供 電電源10 ；上述流量傳感器1為L(zhǎng)WGY-25渦輪流量傳感器，用以產(chǎn)生與流量值相對(duì)應(yīng)的脈 沖信號(hào)；溫度傳感器5為PT100，用以產(chǎn)生與溫度值相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；壓力傳感器 6為HM20-1型壓力變送器，用以產(chǎn)生與壓力值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；功率傳感器的型號(hào)為 H(-6013，用以產(chǎn)生與功率值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；電加熱器3的額定加熱功率為12KW，保證 足夠的加熱功率，通過(guò)控制加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱器3加熱功率的控制；對(duì)循環(huán)水泵2進(jìn) 行了伺服電機(jī)改造，智能調(diào)速儀型號(hào)為XMT-30001D，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)液流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；兩個(gè)循環(huán)水泵型號(hào)為PWN-162，可以按照設(shè)定的時(shí)間輪流 使用，減輕了連續(xù)運(yùn)行時(shí)過(guò)熱對(duì)測(cè)試的影響，也延長(zhǎng)了循環(huán)水泵的使用壽命。測(cè)試儀中的連接管道、接頭、彎頭和三通采用的是DN32的不銹鋼管，膨脹罐4電弧 焊接在電加熱器的上端，壓力傳感器6電弧焊接在電加熱器3的一側(cè)，連接循環(huán)水泵2和電 加熱器3的管道部分電弧焊接在電加熱器3下端，測(cè)試儀管路循環(huán)系統(tǒng)其他部件在循環(huán)管 路中的連接均是通過(guò)連接管道、接頭、彎頭或三通螺紋連接，兩個(gè)循環(huán)水泵2并聯(lián)在管路循 環(huán)系統(tǒng)中。上述U型地埋管15是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先埋好的，埋管內(nèi)充滿水并對(duì)端口進(jìn)行了密封， 鉆孔已回填，這一部分不屬于本測(cè)試儀的裝置范圍。上述連接測(cè)試儀進(jìn)出口兩端與U型地埋管15兩端的特制接頭14是由兩個(gè)DN32 的90度彎頭和一個(gè)DN32的直流三通電弧焊接而成，連接的是雙U型的U型地埋管15，特制 接頭14和測(cè)試儀部分的連接是螺紋連接，在接U型地埋管的一端需和一端帶有內(nèi)螺紋另一 端可以和U型地埋管熱熔連接的接頭相連；如果是單U型的地埋管就不需要特制接頭14， 只需要上述的帶有內(nèi)螺紋的接頭即可將測(cè)試儀和U型地埋管15相連接，因常用的地埋管為 DN25或DN32的HDPE管，故常用的接頭為DN25或DN32的帶內(nèi)螺紋的PE接頭，測(cè)試儀的管 徑和U型地埋管15的管徑不一致時(shí)，中間用DN32-DN25的PE變徑接頭熱熔連接。上述A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊的型號(hào)為04AD-E2 ；PLC的型號(hào)為DVP16ES2 ；人機(jī)界面 的型號(hào)為D0P-B07S211，人機(jī)界面帶有U盤多程序存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)容量的大小取決于外接U 盤的內(nèi)存大小，在整個(gè)工作過(guò)程中，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)將被保存到可移動(dòng)U盤中，方便拷貝數(shù) 據(jù)；任意時(shí)刻的測(cè)試數(shù)據(jù)將在人機(jī)界面上顯示，人機(jī)界面還帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可以將 測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，利用軟件組態(tài)王可以將顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并以圖形曲線的 形式顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，觀測(cè)到的結(jié)果也可以在PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)；在測(cè)試儀處安裝發(fā)射器，在遠(yuǎn)處的PC機(jī)處(200米范圍內(nèi))安裝接收器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的觀測(cè)和存儲(chǔ)。使用上述測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試的方法，其測(cè)試步驟如下第一步測(cè)試前的準(zhǔn)備。將灌裝循環(huán)液的地埋管埋設(shè)在按設(shè)計(jì)要求鉆好孔的地層 中，鉆孔回填后，放置2 3天，使得地溫恢復(fù)到初始狀態(tài)，減少鉆孔對(duì)地層的擾動(dòng)，保證測(cè)量 結(jié)果的準(zhǔn)確。將測(cè)試儀循環(huán)管道的A、B兩端分別與U型地埋管15的兩端用特制接頭14相 連接，至此即形成一個(gè)完整的回路。接通電源后，打開(kāi)排氣閥7、補(bǔ)水閥9、將三通閥8開(kāi)向 排氣狀態(tài)，開(kāi)啟循環(huán)水泵2，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值，通過(guò)補(bǔ)水端C將循環(huán)回路 中充滿水，排出循環(huán)回路中的氣體，關(guān)閉排氣閥7、補(bǔ)水閥9，將三通閥8開(kāi)向循環(huán)狀態(tài)，測(cè)試 準(zhǔn)備完畢，可以開(kāi)始測(cè)試工作。第二步模式選擇。選擇地層熱物性測(cè)試模式或地埋管換熱量測(cè)試模式。兩種測(cè) 試模式的測(cè)試原理分別如下(1)地下?lián)Q熱器的散熱量測(cè)試地埋管散熱量主要是模擬空調(diào)系統(tǒng)夏季的實(shí)際運(yùn)行工況，在給定地埋管進(jìn)出口溫 度的情況下，確定每米孔深的換熱量。計(jì)算公式為
qU QIIUC^U ^ULUlWjl⑴式中U—地埋管換熱器每米孔深換熱量，kw/m ；Q——地埋管總換熱量，kw ；I——地下?lián)Q熱器的埋管深度，m ；Cjf_循環(huán)液的比熱，kJ/kgmC ；一——循環(huán)液的密度，kg/m3 ；ι——循環(huán)液的流量，m3/s ；At——埋管進(jìn)出口溫差，OC。(2)鉆孔原位熱物性的測(cè)試鉆孔原位熱物性的測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法是采用線源理論，利用反算法推導(dǎo)出巖土熱 物性參數(shù)。其方法是從計(jì)算機(jī)中取出試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，將其與軟件模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使 得方差和/取得最小值時(shí)，通過(guò)傳熱模型計(jì)算出的熱物性參數(shù)即是所求結(jié)果，方差和的計(jì) 算式如下
M2/□□ ^0 ^(2)
201式中，7丨&——第i時(shí)刻由模型計(jì)算出的埋管內(nèi)流體的平均溫度；Tmj一第,時(shí)刻由實(shí)際測(cè)量的埋管中流體的平均溫度；N——試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)的組數(shù)。也可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接輸入專業(yè)的地源熱泵巖土熱物性測(cè)試軟件，通過(guò)計(jì)算得到現(xiàn)場(chǎng)巖土的熱物性參數(shù)，同時(shí)根據(jù)專業(yè)的地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以確定在不同的進(jìn)出口溫度 的情況下，確定地埋管單位長(zhǎng)度的換熱量。第三步不同模式測(cè)試1.在地層熱物性測(cè)試模式下，具體步驟如下( 1)選擇控制加熱功率的模式；(2)設(shè)置循環(huán)水泵2切換時(shí)間；( 3 )開(kāi)啟循環(huán)水泵2和電加熱器3 ；(4)設(shè)定加熱功率和循環(huán)流量；(5)測(cè)試、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；(6)檢測(cè)地埋管進(jìn)出口溫差是否達(dá)到要求，如果未達(dá)到，則重新調(diào)整加熱器功率并 回到上面第(5)步，如果達(dá)到，則進(jìn)入下一步；(7)判斷測(cè)試進(jìn)行時(shí)間，持續(xù)48個(gè)小時(shí)后，結(jié)束測(cè)試；2.在地埋管換熱量測(cè)試模式下，具體步驟如下( 1)選擇控制地埋管入口水溫的模式；(2)設(shè)置循環(huán)水泵2切換時(shí)間和地埋管入口水溫；( 3 )開(kāi)啟循環(huán)水泵2和電加熱器3 ；(4)設(shè)定循環(huán)流量；(5)測(cè)試、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；(6)檢測(cè)地埋管入口水溫是否達(dá)到要求，如果未達(dá)到，則重新調(diào)整加熱器功率并回 到上面第(5)步，如果達(dá)到，則進(jìn)入下一步；(7)判斷測(cè)試進(jìn)行時(shí)間，持續(xù)48小時(shí)后，結(jié)束測(cè)試。測(cè)試存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件EXCEL轉(zhuǎn)換為直觀的曲線圖表，依據(jù)公式(1)、(2)進(jìn)行 計(jì)算，可以得到地層導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻或地埋管單位井深換熱量這些地埋管部分設(shè)計(jì)的重要 參數(shù)。本實(shí)用新型的有益效果為測(cè)試儀結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶；多種數(shù)據(jù)觀測(cè)方式，保證 測(cè)試的順利進(jìn)行；一臺(tái)儀器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)地層熱物性測(cè)試和換熱量測(cè)試的兩種測(cè)試模式， 一機(jī)兩用，經(jīng)濟(jì)方便；兩個(gè)循環(huán)泵輪流使用，延長(zhǎng)了循環(huán)泵的使用壽命，同時(shí)可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 水泵的轉(zhuǎn)速，測(cè)試調(diào)節(jié)較方便；現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，利于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研 發(fā)和推廣應(yīng)用。

圖1為測(cè)試儀的原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為測(cè)試儀監(jiān)控系統(tǒng)的儀表系統(tǒng)框圖；圖3為測(cè)試儀監(jiān)控系統(tǒng)電氣原理圖；圖4為特制接頭示意圖；圖5為測(cè)試儀測(cè)試流程圖。圖中1-流量傳感器；2-循環(huán)水泵；3-電加熱器；4-膨脹罐；5-溫度傳感器； 6-壓力傳感器；7-排氣閥；8-三通閥；9-補(bǔ)水閥；10-供電電源；11-伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； 12-監(jiān)控系統(tǒng)；13-功率傳感器；14-特制接頭；15-U型地埋管。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與實(shí)施案例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1圖1為測(cè)試儀的原理結(jié)構(gòu)示意圖，本測(cè)試儀包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控 系統(tǒng)。其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器1、循環(huán)水泵2、電加熱器3、膨脹罐4、排氣閥7、 特制接頭14、U型地埋管15、三通閥8和補(bǔ)水閥9所構(gòu)成，流量傳感器1 一側(cè)通過(guò)DN32的 不銹鋼管管道與測(cè)試儀入口 A端用螺紋連接，該段管道上接有三通閥8，測(cè)試儀補(bǔ)水C端接 在三通閥8下端管道上，在測(cè)試儀補(bǔ)水C端管道上接有補(bǔ)水閥9，LWGY-25渦輪流量傳感器 1的另一側(cè)通過(guò)DN32的不銹鋼管管道和PWN-162型循環(huán)水泵2用螺紋相接，循環(huán)水泵2上 部通過(guò)管道與額定加熱功率為12KW的電加熱器3下部用焊接連接，電加熱器3上部通過(guò)管 道與膨脹罐4用弧焊接相連，電加熱器3的一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀出口 B端用螺紋連接，該 處管道上用螺紋連接有排氣閥7，測(cè)試儀入口 A端通過(guò)特制接頭14與U型地埋管15的出口 用螺紋連接，測(cè)試儀出口 B端通過(guò)特制接頭14與U型地埋管15的入口用螺紋連接，從而構(gòu) 成一個(gè)管路循環(huán)系統(tǒng)；測(cè)試儀中的連接管道、接頭、彎頭和三通采用的是DN32的不銹鋼管，膨脹罐4電弧 焊接在電加熱器3的上端，P2壓力傳感器6和T2溫度傳感器5用電弧焊接在電加熱器3的 一側(cè)的管道上，連接循環(huán)水泵2和電加熱器3的管道部分電弧焊接在電加熱器3下端，測(cè)試 儀管路循環(huán)系統(tǒng)其他部件在循環(huán)管路中的連接均是通過(guò)連接管道、接頭、彎頭或三通螺紋 連接，兩個(gè)循環(huán)水泵2并聯(lián)在管路循環(huán)系統(tǒng)中。上述U型地埋管15是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先埋好的，埋管內(nèi)充滿水并對(duì)端口進(jìn)行了密封， 鉆孔已回填，圖1中黑線右側(cè)部分的U型地埋管15不屬于本測(cè)試儀的裝置范圍，故用虛線不意。測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器1、溫度傳感器5、壓力傳感器6、功率傳感器13所構(gòu)成， LWGY-25渦輪流量傳感器1 一端螺紋連接在測(cè)試儀入口 A端管道上，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12 相連，在流量傳感器1和測(cè)試儀入口 A端相連接的管道上及電加熱器3和測(cè)試儀出口 B端 相連接的管道上分別布置T1和T2溫度傳感器5及P1和P2壓力傳感器6，在測(cè)試儀箱體內(nèi) 部和外部分別布置一個(gè)T3和T4溫度傳感器5，I\、T2、T3、T4溫度傳感器5、P1和P2壓力傳感 器6的另一端和監(jiān)控系統(tǒng)12相連，功率傳感器13 —端和電加熱器3相連，另一端和監(jiān)控系 統(tǒng)12相連。圖2為測(cè)試儀監(jiān)控系統(tǒng)的儀表系統(tǒng)框圖，儀表系統(tǒng)的組成為模擬量測(cè)量模塊一 端與流量傳感器1、Ι\、Τ2、Τ3、Τ4溫度傳感器5、Pi和P2壓力傳感器6、功率傳感器13相連接， 另一端與A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連接，PLC —端和A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連接，另一端 通過(guò)系統(tǒng)I/O 口與人機(jī)界面、開(kāi)關(guān)量輸出相連接，人機(jī)界面與U盤存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)連接，另 為系統(tǒng)提供配套電源及風(fēng)扇。圖3為測(cè)試儀監(jiān)控系統(tǒng)電氣原理圖，操作控制系統(tǒng)的組成為220V交流電源10，該 電源通過(guò)相序保護(hù)繼電器與儀表開(kāi)關(guān)、儀表電源連接；同時(shí)水泵電源經(jīng)水泵開(kāi)關(guān)與儀表電 源并聯(lián)；同時(shí)380V交流電源10通過(guò)相序保護(hù)繼電器、接觸器開(kāi)關(guān)與電加熱器3連接，電加熱器3與功率傳感器13輸入端相連。上述流量傳感器1為L(zhǎng)WGY-25渦輪流量傳感器，用以產(chǎn)生與流量值相對(duì)應(yīng)的脈 沖信號(hào)；溫度傳感器5為PT100，用以產(chǎn)生與溫度值相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；壓力傳感器 6為HM20-1型壓力變送器，用以產(chǎn)生與壓力值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；功率傳感器的型號(hào)為 H(-6013，用以產(chǎn)生與功率值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；電加熱器3的額定加熱功率為12KW，保證 足夠的加熱功率，通過(guò)控制加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱器3加熱功率的控制；對(duì)循環(huán)水泵2進(jìn) 行了伺服電機(jī)改造，智能調(diào)速儀型號(hào)為XMT-30001D，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)液流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；兩個(gè)循環(huán)水泵型號(hào)為PWN-162，可以按照設(shè)定的時(shí)間輪流 使用，減輕了連續(xù)運(yùn)行時(shí)過(guò)熱對(duì)測(cè)試的影響，也延長(zhǎng)了循環(huán)水泵的使用壽命。上述A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊的型號(hào)為04AD-E2 ；PLC的型號(hào)為DVP16ES2 ；人機(jī)界面 的型號(hào)為D0P-B07S211，人機(jī)界面帶有U盤多程序存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)容量的大小取決于外接U 盤的內(nèi)存大小，在整個(gè)工作過(guò)程中，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)將被保存到可移動(dòng)U盤中，方便拷貝數(shù) 據(jù)；任意時(shí)刻的測(cè)試數(shù)據(jù)將在人機(jī)界面上顯示，人機(jī)界面還帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，可以將 測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，利用組態(tài)王軟件可以將顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并以圖形曲線的 形式顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，觀測(cè)到的結(jié)果也可以在PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)；在測(cè)試儀處安裝發(fā)射 器，在遠(yuǎn)處的PC機(jī)處(200米范圍內(nèi))安裝接收器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的觀測(cè)和存儲(chǔ)。圖4為特制接頭14示意圖，特制接頭14是由兩個(gè)DN32的90度彎頭和一個(gè)DN32 的直流三通電弧焊接而成，連接的是雙U型的U型地埋管15，特制接頭14和測(cè)試儀部分的 連接是螺紋連接，在接U型地埋管15的一端需和一端帶有內(nèi)螺紋另一端可以和U型地埋管 15熱熔連接的接頭相連；如果是單U型的地埋管15就不需要特制接頭，只需要上述的帶有 內(nèi)螺紋的接頭即可將測(cè)試儀和U型地埋管15相連接，因常用的地埋管為DN25或DN32的 HDPE管，故常用的接頭為DN25或DN32的帶內(nèi)螺紋的PE接頭，測(cè)試儀的管徑和U型地埋管 管徑不一致時(shí)，中間用DN32-DN25的PE變徑接頭熱熔連接。實(shí)施例2圖5為測(cè)試儀測(cè)試流程圖，本實(shí)用新型的測(cè)試過(guò)程具體包括以下幾個(gè)步驟第一步測(cè)試前的準(zhǔn)備。將裝滿循環(huán)液的地埋管埋設(shè)在按設(shè)計(jì)要求鉆好孔的地層 中，鉆孔回填后，放置2 3天，使得地溫恢復(fù)到初始狀態(tài)，減少鉆孔對(duì)地層的擾動(dòng)，保證測(cè)量 結(jié)果的準(zhǔn)確。將測(cè)試儀循環(huán)管道的A、B兩端分別與U型地埋管15的兩端用特制接頭14相 連接，至此即形成一個(gè)完整的回路。接通電源后，打開(kāi)排氣閥7、補(bǔ)水閥9、將三通閥8開(kāi)向 排氣狀態(tài)，開(kāi)啟循環(huán)水泵2，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值，通過(guò)補(bǔ)水端C將循環(huán)回路 中充滿水，排出循環(huán)回路中的氣體，關(guān)閉排氣閥7、補(bǔ)水閥9，將三通閥8開(kāi)向循環(huán)狀態(tài)，測(cè)試 準(zhǔn)備完畢，可以開(kāi)始測(cè)試工作。第二步模式選擇。選擇地層熱物性測(cè)試模式或地埋管換熱量測(cè)試模式。第三步不同模式測(cè)試1.在地層熱物性測(cè)試模式下，具體步驟如下(1)選擇控制加熱功率的模式；(2)設(shè)置循環(huán)水泵2切換時(shí)間；( 3 )開(kāi)啟循環(huán)水泵2和電加熱器3 ；[0080](4)設(shè)定加熱功率和循環(huán)流量；(5)測(cè)試、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；(6)檢測(cè)地埋管進(jìn)出口溫差是否達(dá)到要求，如果未達(dá)到，則重新調(diào)整加熱器功率并 回到上面第(5)步，如果達(dá)到，則進(jìn)入下一步；(7)判斷測(cè)試進(jìn)行時(shí)間，持續(xù)48個(gè)小時(shí)后，結(jié)束測(cè)試；2.在地埋管換熱量測(cè)試模式下，具體步驟如下( 1)選擇控制地埋管入口水溫的模式；(2)設(shè)置循環(huán)水泵2切換時(shí)間和地埋管入口水溫；( 3 )開(kāi)啟循環(huán)水泵2和電加熱器3 ；(4)設(shè)定循環(huán)流量；(5)測(cè)試、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；(6)檢測(cè)地埋管入口水溫是否達(dá)到要求，如果未達(dá)到，則重新調(diào)整加熱器功率并回 到上面第(5)步，如果達(dá)到，則進(jìn)入下一步；(7)判斷測(cè)試進(jìn)行時(shí)間，持續(xù)48小時(shí)后，結(jié)束測(cè)試。測(cè)試存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件EXCEL轉(zhuǎn)換為直觀的曲線圖表，依據(jù)公式(1)、(2)進(jìn)行 計(jì)算，可以得到地層導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻或地埋管單位井深換熱量這些地埋管部分設(shè)計(jì)的重要 參數(shù)。應(yīng)用本測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)地層熱物性測(cè)試與散熱量測(cè)試兩種測(cè)試模式的測(cè)試，適應(yīng) 性強(qiáng)，可以滿足不同類型的測(cè)試需求。實(shí)施例3地埋管有效深度為80m，測(cè)試孔的地埋管為單U型，采用的是PE100- Φ 25mm高密度 聚乙烯管材，地埋管回填料為膨潤(rùn)土、細(xì)砂的混合漿(1 :4)，鉆孔孔徑為Φ150πιπι，管內(nèi)循環(huán) 介質(zhì)為清水。將實(shí)施例1的測(cè)試儀循環(huán)管道的A、B兩端分別與U型地埋管15的兩端用DN32的 帶有內(nèi)螺紋的PE接頭和DN32-DN25的PE變徑接頭相連接，其中變徑接頭和U型地埋管之 間、與帶有內(nèi)螺紋的PE接頭之間是熱熔焊接，帶有內(nèi)螺紋的PE接頭與測(cè)試儀之間是螺紋連 接，至此即形成一個(gè)完整的回路。接通電源后，打開(kāi)排氣閥7、補(bǔ)水閥9，將三通閥8開(kāi)至排 氣狀態(tài)，選擇控制加熱功率的模式，開(kāi)啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)流量至設(shè)定值，將 測(cè)試箱內(nèi)的循環(huán)管中也充滿水，排出循環(huán)回路中的氣體，關(guān)閉排氣閥7、補(bǔ)水閥9，將三通閥 8開(kāi)至循環(huán)狀態(tài)，正式開(kāi)始測(cè)試。在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、測(cè)試儀入口溫度和 出口溫度、流量值作為測(cè)量數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻， 達(dá)到檢測(cè)目的，測(cè)試及計(jì)算結(jié)果下表。
權(quán)利要求1. 一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，其特征在于它包括管路循 環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器(1)、循環(huán)水泵(2)、電加熱 器(3)、膨脹罐(4)、排氣閥(7)、特制接頭(14)、U型地埋管(15)、三通閥(8)和補(bǔ)水閥(9)所 構(gòu)成，流量傳感器(1) 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀入口(A)端連接，該段管道上接有三通閥(8)， 測(cè)試儀補(bǔ)水口(C)端接在三通閥(8)下端管道上，在測(cè)試儀補(bǔ)水口(C)端管道上接有補(bǔ)水閥 (9),流量傳感器(1)的另一側(cè)通過(guò)管道和循環(huán)水泵(2)下部相接，循環(huán)水泵(2)上部通過(guò)管 道與電加熱器(3)下部連接，電加熱器(3)上部通過(guò)管道與膨脹罐(4)相連，電加熱器(3)的 一側(cè)通過(guò)管道與測(cè)試儀出口(B)端連接，該處管道上接有排氣閥(7)，測(cè)試儀入口(A)端通 過(guò)特制接頭(14)與U型地埋管(15)的出口連接，測(cè)試儀出口(B)端通過(guò)特制接頭(14)與 U型地埋管(15)的入口連接；所述的測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器(1)、溫度傳感器(5)、壓力傳感器(6)、功率傳感器(13) 所構(gòu)成，流量傳感器(1) 一端接在測(cè)試儀入口(A)端管道上，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連， 在流量傳感器(1)和測(cè)試儀入口(A)端相連接的管道上及電加熱器(3)和測(cè)試儀出口(B) 端相連接的管道上分別安裝T1和T2溫度傳感器(5)及P1和P2壓力傳感器(6)，在測(cè)試儀箱 體內(nèi)部和外部分別布置T3和T4溫度傳感器(5 )，所述T1、T2、T3、T4溫度傳感器(5 )、P1和P2 壓力傳感器(6)的另一端分別和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連，功率傳感器(13) —端和電加熱器(3) 相連，另一端和監(jiān)控系統(tǒng)(12)相連；所述的監(jiān)控系統(tǒng)(12)由儀表系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成，其中儀表系統(tǒng)的組成為模擬 量測(cè)量模塊一端分別與流量傳感器(1)、溫度傳感器(5)、壓力傳感器(6)、功率傳感器(13) 相連，另一端與A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連，PLC—端和A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入模塊相連，另一端 通過(guò)系統(tǒng)I/O 口與人機(jī)界面、開(kāi)關(guān)量輸出相連接，人機(jī)界面與U盤存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)連接，另 為系統(tǒng)提供配套電源及風(fēng)扇；操作控制系統(tǒng)的組成為220V交流電源，該電源通過(guò)相序保 護(hù)繼電器與儀表開(kāi)關(guān)、儀表電源連接；同時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)與儀表電源并聯(lián)；通過(guò)調(diào) 節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)上的旋鈕開(kāi)度來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)380V交流電源通過(guò)相序保 護(hù)繼電器、接觸器開(kāi)關(guān)與電加熱器(3)連接，電加熱器(3)與功率傳感器(13)輸入端相連， 以上所有電源均來(lái)自于供電電源(10 )。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測(cè)試儀，該測(cè)試儀包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器、循環(huán)水泵、電加熱器、膨脹罐、排氣閥、三通閥、補(bǔ)水閥通過(guò)接頭連接U型地埋管所構(gòu)成的回路；測(cè)試系統(tǒng)由流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、功率傳感器所構(gòu)成，并分別與監(jiān)控系統(tǒng)相連，該測(cè)試儀結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，一臺(tái)機(jī)器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)地層熱物性測(cè)試和換熱量測(cè)試的兩種測(cè)試模式，一機(jī)兩用，經(jīng)濟(jì)方便；兩個(gè)循環(huán)泵輪流使用，延長(zhǎng)了循環(huán)泵的使用壽命，測(cè)試調(diào)節(jié)較方便，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01K17/08GK201885985SQ20102060512
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者李曉昭, 車平, 馬娟 申請(qǐng)人:江蘇南華地下空間研究所有限公司