專利名稱：基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于巖土熱物性測試系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計重點。設(shè)計偏小會導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率降低，達(dá)不到制冷制熱要求，增加運行費用；而設(shè)計偏大則將 造成系統(tǒng)初投資增加，影響系統(tǒng)經(jīng)濟性。地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計的合理與否很大程度取決于地下巖土熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此在進行地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器設(shè)計前，必須對項目擬埋管區(qū)域進行巖土熱響應(yīng)測試，得到可靠的巖土熱物性參數(shù)。但是，由于地埋管換熱器的換熱過程涉及的物理模型很復(fù)雜，涉及的因素很多。它是非穩(wěn)態(tài)的，涉及的時間跨度很長，空間區(qū)域很大，條件也很復(fù)雜，包括水平及豎直埋管與土壤在短期和長期工況下的換熱規(guī)律、多組管道之間的相互影響、土壤凍融的影響、地下水滲流的影響等，換熱器形式多種多樣，地層結(jié)構(gòu)及其熱物性千差萬別，換熱器的負(fù)荷隨時間變化，等等。僅僅依靠初始溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻和比熱容不能全面反映埋管換熱器的換熱特性。為此，人們進行了長期的探索，提出了各種各樣的解決方案。例如，中國專利文獻(xiàn)公開了一種同步冷熱響應(yīng)巖土熱物性測試儀[申請?zhí)朇N201010202994. 7]，包括水-水熱泵機組的冷響應(yīng)側(cè)由冷響應(yīng)側(cè)供水管、冷響應(yīng)側(cè)流量計、冷響應(yīng)側(cè)供水溫度傳感器、冷響應(yīng)側(cè)U形管、冷響應(yīng)側(cè)回水管、冷響應(yīng)側(cè)回水溫度傳感器和冷響應(yīng)側(cè)循環(huán)泵構(gòu)成回路；水-水熱泵機組的熱響應(yīng)側(cè)由熱響應(yīng)側(cè)供水管、散熱器調(diào)節(jié)閥、翅片散熱器、加熱器調(diào)節(jié)閥、電加熱器、熱響應(yīng)側(cè)流量計、熱響應(yīng)側(cè)供水溫度傳感器、熱響應(yīng)側(cè)U形管、熱響應(yīng)側(cè)回水管、熱響應(yīng)側(cè)回水溫度傳感器和熱響應(yīng)側(cè)循環(huán)泵構(gòu)成回路。該方案是為了解決巖土熱物性測量采用空氣源熱泵式測量儀對夏季排熱工況和冬季吸熱工況測試時，一次只能測試一種工況，測試結(jié)果不準(zhǔn)的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種能智能優(yōu)化測試方案，全面評價地源熱泵系統(tǒng)巖土熱物性，廣泛適用于各類地源熱泵系統(tǒng)的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本實用新型采用了下列技術(shù)方案本基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，本系統(tǒng)包括測試儀、相鄰設(shè)置的兩組地埋管回路和用于提供各部分工作所需電能的電源，每組地埋管回路分別包括主管和并聯(lián)設(shè)置的第一支管和第二支管，在主管上串接有加熱器、循環(huán)水泵、溫度測量裝置和流量測量裝置，所述的第一支管的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)和出水開關(guān)，所述的第二支管的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)和出水開關(guān)，所述的加熱器、循環(huán)水泵、溫度測量裝置和流量測量裝置均與測試儀相連接，所述的測試儀包括中央處理模塊，在中央處理模塊上連接有能夠輸入包括建筑類型因素、氣候條件因素、設(shè)計負(fù)荷因素、埋管場地面積因素在內(nèi)的各種參數(shù)的參數(shù)輸入模塊和顯示模塊。在上述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)中，所述的測試儀上還連接有當(dāng)發(fā)生異常情況時能夠發(fā)出報警信號的信號發(fā)生器和切斷電源的應(yīng)急斷電模塊。在上述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)中，所述的信號發(fā)生器通過無線通訊方式與手持式信號接收器相連接。在上述的基于多因素 影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)中，所述的主管上連接有膨脹水箱，所述的主管兩端分別設(shè)有一個溫度測量裝置。在上述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)中，所述的第一支管和
第二支管均呈U形。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)的優(yōu)點在于1、能夠針對不同建筑類型采取不同的測試方案，對于重要影響因素進行對比試驗，為設(shè)計提供更詳盡可靠的依據(jù)。2、自動化程度高，操作簡便，大大提高了測試效率。3、當(dāng)發(fā)生異常情況時能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程報警并切斷電源供應(yīng)，安全可靠。

圖I是本實用新型提供的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型提供的工作流程圖。圖中，測試儀I、手持式信號接收器10、中央處理模塊11、參數(shù)輸入模塊12、顯示模塊13、信號發(fā)生器14、應(yīng)急斷電模塊15、地埋管回路2、膨脹水箱20、主管21、第一支管22、第二支管23、電源3、加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6、流量測量裝置7、進水開關(guān)8、出水開關(guān)9。
具體實施方式
如圖I所示，本基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)包括測試儀I、相鄰設(shè)置的兩組地埋管回路2和用于提供各部分工作所需電能的電源3。每組地埋管回路2分別包括主管21和并聯(lián)設(shè)置的第一支管22和第二支管23，在主管21上串接有加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6和流量測量裝置7。第一支管22的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)8和出水開關(guān)9，第二支管23的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)8和出水開關(guān)9。本實施例中，第一支管22和第二支管23均呈U形，且豎直設(shè)置。主管21上連接有膨脹水箱20，且主管20兩端分別設(shè)有一個溫度測量裝置6。加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6和流量測量裝置7均與測試儀I相連接，更具體地說加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6和流量測量裝置7通過信號變送器與測試儀I相連接。加熱器4的加熱元件為電熱管，功率范圍為0 10kW。采用PtlOOO鉬電阻測量流體溫度。循環(huán)水泵5驅(qū)動流體在回路中循環(huán)流動，流體經(jīng)過加熱器4加熱后流經(jīng)地埋管回路2與地下巖土進行換熱，測得的進出口流體溫度、流體流量、加熱功率等經(jīng)信號變送傳至測試儀I。測試儀I包括中央處理模塊11，在中央處理模塊11上連接有能夠輸入包括建筑類型因素、氣候條件因素、設(shè)計負(fù)荷因素、埋管場地面積因素在內(nèi)的各種參數(shù)的參數(shù)輸入模塊12和顯示模塊13。測試儀I上還連接有當(dāng)發(fā)生異常情況時能夠發(fā)出報警信號的信號發(fā)生器14和切斷電源的應(yīng)急斷電模塊15。信號發(fā)生器14通過無線通訊方式與手持式信號接收器10相連接。待排查出故障原因后，重新制定測試方案并進行測試。 圖2所示，基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價方法包括下述步驟A、通過參數(shù)輸入模塊12向測試儀I輸入包括建筑類型、氣候條件因素、設(shè)計負(fù)荷因素、埋管場地面積因素在內(nèi)的各種參數(shù)。B、由測試儀I根據(jù)上述參數(shù)生成優(yōu)化測試方案，并根據(jù)優(yōu)化測試方案對相鄰設(shè)置的兩組地埋管回路2進行設(shè)備連接和調(diào)試，所述的地埋管回路2分別包括主管21和并聯(lián)設(shè)置的第一支管22和第二支管23，在主管21上串接有加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6和流量測量裝置7，所述的第一支管22的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)8和出水開關(guān)9，所述的第二支管23的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)8和出水開關(guān)9，所述的加熱器
4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6和流量測量裝置7均與測試儀I相連接。這里的進水開關(guān)8和出水開關(guān)9均為電磁閥且與測試儀I相連接。C、通過測試儀I進行標(biāo)準(zhǔn)工況測試和多因素影響分析試驗，從而生成基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價報告。上述的標(biāo)準(zhǔn)工況測試包括巖土初始溫度測試和巖土體熱物性測試；上述的多因素影響分析試驗包括變負(fù)荷試驗、熱干擾影響試驗、動態(tài)負(fù)荷試驗、單雙管影響性試驗和變流速試驗。多因素影響分析實質(zhì)上是模擬地埋管回路2的各種實際換熱情況，分別改變循環(huán)液流速、埋管間距、負(fù)荷強度及運行工況等參數(shù)來分析進出水口的溫度變化，從而得出相關(guān)規(guī)律，為設(shè)計提供更詳盡的依據(jù)。、D、測試儀I根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)工況測試和多因素影響分析試驗的數(shù)據(jù)生成巖土熱物性測試評價分析報告。巖土初始溫度測試采用無功循環(huán)法測得，即在不向地埋管回路2加載的情況下，使水在地埋管回路2內(nèi)循環(huán)，待溫度達(dá)到穩(wěn)定時，循環(huán)水與巖土達(dá)到熱平衡，該溫度即為巖土初始平均溫度。在實際測試過程中，當(dāng)?shù)芈窆芑芈?的進水溫度和出水溫度的溫差持續(xù)I小時不大于0. rc時，即可認(rèn)為循環(huán)水溫度達(dá)到穩(wěn)定，該溫度值即為巖土初始溫度。巖土體熱物性測試采用恒熱流法測得，即通過加熱器4提供一個穩(wěn)定的加熱功率，記錄地埋管回路2進出口溫度隨時間的變化，然后根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算當(dāng)?shù)貛r土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及熱阻。以此作為主要設(shè)計依據(jù)，并按規(guī)范計算得到地埋管回路2的總長度。變負(fù)荷試驗包括換熱量為65-80w/m的大負(fù)荷試驗、換熱量為30 60W/m的正常負(fù)荷試驗和換熱量不大于20w/m的小負(fù)荷試驗；所述的熱干擾影響試驗包括單地埋管回路試驗和雙地埋管回路試驗；所述的動態(tài)負(fù)荷試驗包括加熱時間不大于3小時的短時運行試驗、加熱時間為45-50小時的連續(xù)運行試驗、在連續(xù)運行試驗后恢復(fù)至初始溫度的恢復(fù)特性試驗、以及間隙運行試驗；所述的單雙管影響性試驗包括在一組地埋管回路2中僅接通第一支管22或第二支管23進行試驗和同時接通第一支管22和第二支管23進行試驗；所述的變流速試驗包括流速為2. 5-3. 5m/s的大流速試驗、流速為l_2m/S的正常流量試驗和流速不大于0. 5m/s的小流速試驗。將整個系統(tǒng)的工作和操作過程詳細(xì)闡述如下I、制定測試方案根據(jù)要求輸入建筑類型、氣候條件、設(shè)計負(fù)荷、埋管場地面積等參數(shù)，測試儀I自動得出重要影響因素，如循環(huán)液流速、埋管間距、負(fù)荷強度及運行工況等。經(jīng)測試人員確認(rèn)后，儀器會自動生成優(yōu)化后的測試方案。2、設(shè)備連接及調(diào)試首先進行地埋管回路2安裝。包括打孔、下管、回填、打壓試驗、晾井等工作。然后進行設(shè)備連接，接通電源，將測量儀I與地埋管回路2相連，進行必要的保溫，并向試驗系統(tǒng)中注水、保壓。3、標(biāo)準(zhǔn)工況測試a、原始地溫測試，即在將試驗系統(tǒng)循環(huán)水中的空氣排盡后啟動循環(huán)水泵5，對地下土壤的原始溫度進行測試，開啟循環(huán)水泵5循環(huán)直到測試流體的進出水溫度趨于恒定，這時可以認(rèn)為該溫度值即為地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)巖土層的原始平均溫度。b、導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻和比熱容測試，即開啟加熱器4，實時記錄各項數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，電源3應(yīng)保持穩(wěn)定，每隔3分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集，不間斷采集數(shù)據(jù)，包括進出口溫度、流速、加熱功率、地下溫度等。4、多因素影響分析試驗根據(jù)輸入的建筑類型、氣候條件、設(shè)計負(fù)荷、埋管場地面積等參數(shù)確定重要影響因素。如，對于高層辦公樓一般需進行動態(tài)負(fù)荷影響實驗、熱干擾影響實驗、單雙U對比實驗及變流速實驗。a、變負(fù)荷試驗對豎直單U型埋管，單位孔深的換熱量可按30 60W/m估算，地下?lián)Q熱狀況好的(導(dǎo)熱能力強、可利用溫差大等)取高值。可見，其取值區(qū)間的跨度較大。因此，若要對比負(fù)荷大小對于進出水口溫度的影響就必須進行變負(fù)荷試驗，一般進行3種試驗大負(fù)荷試驗，加熱功率控制在設(shè)定的大功率值，如70w/m，進行大負(fù)荷試驗。換熱量為30 60W/m的正常負(fù)荷試驗，實質(zhì)上在上述標(biāo)準(zhǔn)工況測試中已進行，可不再重復(fù)測試。小負(fù)荷試驗，加熱功率控制在設(shè)定的小功率值，如20w/m，進行小負(fù)荷試驗。b、熱干擾影響試驗在實際的地源熱泵工程中，地下埋管換熱器是由多個鉆孔組成的，因此，對雙換熱孔進行試驗和對比分析很有必要。單孔試驗可在標(biāo)準(zhǔn)工況中進行，可以不再重復(fù)測試。雙孔換熱試驗，主要是雙孔的中長期運行的影響。進行雙孔換熱試驗須待進出水溫度恢復(fù)到原始溫度后，一般加熱時間大于72小時，記錄期間的所有參數(shù)。C、動態(tài)負(fù)荷試驗地源熱泵在動態(tài)負(fù)荷作用下具有一定的動態(tài)特性。長時間運行將導(dǎo)致地埋管換熱器性能逐漸下降，最終喪失換熱能力；而當(dāng)?shù)卦礋岜猛Ｖ构ぷ饕欢螘r間，這時由于淺層土壤和室外空氣進行熱交換，以及較深層土壤和更深的土壤層之間的熱傳遞仍在繼續(xù)，地埋管換熱器的換熱性能將逐漸恢復(fù)。因此有必要進行各類動態(tài)負(fù)荷試驗，以確定當(dāng)?shù)貛r土的動態(tài)熱物性，以便設(shè)計時能更全面地考慮。短時運行試驗，即待進出水溫度恢復(fù)到原始溫度后，自動進行短時運行試驗，采用標(biāo)準(zhǔn)工況條件，加熱裝置加熱3小時后，試驗結(jié)束，記錄所有參數(shù)。連續(xù)運行試驗，即加熱48小時(基準(zhǔn))，在標(biāo)準(zhǔn)工況中已進行，可不再重復(fù)測試?；謴?fù)特性試驗，即加熱48小時后恢復(fù)到原始溫度，待連續(xù)運行試驗結(jié)束后，自動進行恢復(fù)特性試驗，待進出水溫度恢復(fù)到原始溫度后，試驗結(jié)束，記錄所有參數(shù)。間隙運行試驗，即加熱X小時間隔y小時循環(huán)z次，本實施例中，待進出水溫度恢復(fù)到原始溫度后，自動進行間隙運行試驗，如可以進行如下工況條件的試驗，加熱裝置加熱2小時后，間隔2小時，循環(huán)六次后，試驗結(jié)束，記錄所有參數(shù)。d、單雙管影響性試驗地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的地埋管回路一般有兩種形式，分別為單管和雙管埋管。一個鉆孔中可設(shè)置一組支管或兩組支管。一般地，雙管埋管比單管埋管的換熱能力增大15% _30%，具體數(shù)值需進行對比試驗得出。單管試驗在標(biāo)準(zhǔn)工況中已進行，可不再重復(fù)測試。雙管試驗待恢復(fù)到原始溫度后，切換進水開關(guān)8和出水開關(guān)9使得孔內(nèi)的第一支管22和第二支管23并聯(lián)，進行雙管試驗。e、變流速試驗流速對于地源熱泵地埋管的換熱效果也有很大影響，必須進行變流速實驗。大流速試驗，流速控制在設(shè)定的大流速，如3m/s，進行大流速試驗。正常流量試驗(基準(zhǔn))，在標(biāo)準(zhǔn)工況中已進行，可不再重復(fù)測試。小流速試驗，流速控制在設(shè)定的小流速，如0. 3m/s，進行小流速試驗。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了測試儀I、手持式信號接收器10、中央處理模塊11、參數(shù)輸入模塊12、顯示模塊13、信號發(fā)生器14、應(yīng)急斷電模塊15、地埋管回路2、膨脹水箱20、主管21、第一支管22、第二支管23、電源3、加熱器4、循環(huán)水泵5、溫度測量裝置6、流量測量裝置7、進水開關(guān)8、出水開關(guān)9等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
權(quán)利要求1.一種基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，本系統(tǒng)包括測試儀(I)、相鄰設(shè)置的兩組地埋管回路(2)和用于提供各部分工作所需電能的電源(3)，每組地埋管回路(2)分別包括主管(21)和并聯(lián)設(shè)置的第一支管(22)和第二支管(23)，在主管(21)上串接有加熱器(4)、循環(huán)水泵(5)、溫度測量裝置(6)和流量測量裝置(7)，所述的第一支管(22)的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)(8)和出水開關(guān)(9)，所述的第二支管(23)的進水端和出水端分別設(shè)有進水開關(guān)(8)和出水開關(guān)(9)，所述的加熱器(4)、循環(huán)水泵(5)、溫度測量裝置(6)和流量測量裝置(7)均與測試儀(I)相連接，所述的測試儀(I)包括中央處理模塊(11)，在中央處理模塊(11)上連接有能夠輸入包括建筑類型因素、氣候條件因素、設(shè)計負(fù)荷因素、埋管場地面積因素在內(nèi)的各種參數(shù)的參數(shù)輸入模塊(12)和顯示模塊(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，所述的測試儀(I)上還連接有當(dāng)發(fā)生異常情況時能夠發(fā)出報警信號的信號發(fā)生器(14)和切斷電源的應(yīng)急斷電模塊(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號發(fā)生器(14)通過無線通訊方式與手持式信號接收器(10)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，所述的主管(21)上連接有膨脹水箱(20)，所述的主管(20)兩端分別設(shè)有一個溫度測量裝置(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一支管(22)和第二支管(23)均呈U形。
專利摘要本實用新型涉及一種基于多因素影響分析的巖土熱物性測試評價系統(tǒng)。它解決了現(xiàn)有技術(shù)中依靠初始溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻不能全面反映埋管換熱器的換熱特性等技術(shù)問題。本系統(tǒng)包括測試儀、電源、主管以及第一支管和第二支管，在主管上接有加熱器、循環(huán)水泵、溫度測量裝置和流量測量裝置，加熱器、循環(huán)水泵、溫度測量裝置和流量測量裝置均與測試儀相連接，測試儀包括中央處理模塊，參數(shù)輸入模塊和顯示模塊；本實用新型具有1、為設(shè)計提供更詳盡可靠的依據(jù)；2、自動化程度高，操作簡便；3、安全可靠。
文檔編號G01N25/20GK202362260SQ20112028423
公開日2012年8月1日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者徐堅 申請人:徐堅