本實用新型涉及淺層地溫能開發(fā)利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙工況恒功率巖土熱響應現(xiàn)場測試裝置。

背景技術(shù)：

一般物質(zhì)材料的熱導率在常溫下為常數(shù)，隨溫度變化熱導率有微小的變化，這種依附關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)可用近似線性關(guān)系表達。如石英在5-30℃之間，熱導率相差約3-4％，水在5-30℃之間，熱導率相差約7-8％。由于地下巖土體的物質(zhì)成分復雜多樣，目前對各種不同類別的巖土體在不同溫度下的熱導率隨溫度變化的依附關(guān)系并不完全明確。地下巖土體孔隙比較大、富含大量水分時，水體粘度隨溫度的變化而變化，影響了熱濕遷移作用，使在不同溫差下的地層熱導率變化更加明顯。在淺層地溫能開發(fā)利用地埋管換熱器工程設計中，由于地層較為復雜，必須進行現(xiàn)場熱響應測試，得到地層的綜合熱導率等參數(shù)。由于巖土體溫度在冬季吸熱與夏季排熱模式溫度也介于5-30℃之間，測試裝置如果只進行夏季工況測試，得到的綜合地層熱導率與冬季吸熱相差較大。

巖土熱響應測試過主要采用“恒熱流法”和“恒溫法”?！昂銦崃鞣ā蓖ㄟ^冷熱源向巖土體施加一定的加熱或吸熱功率的方式進行測試。該方法的理論基礎為線熱源模型，對地埋管進出口溫度數(shù)據(jù)可通過導熱反問題解法反算出地層的綜合熱響應參數(shù)。“恒溫法”方法是試驗中設法保持回路的進口溫度不變，再由測得的流量和回水溫度得到回路中的換熱量，這種方法的主要是確定在一定工況下的鉆孔單位延米的傳熱量。

在“恒熱流法”中，制熱的恒功率電控模式容易實現(xiàn)；制冷工況時則相對困難，由于制冷機組結(jié)構(gòu)特性，輸入輸出變化反饋緩慢，調(diào)節(jié)時間滯后，影響因素較多，不易做到精確控制，一般測試儀器均在冬季工況時采用恒溫模式進行吸熱能力測試，得到鉆孔單位延米的傳熱量數(shù)據(jù)，而不進行巖土熱響應參數(shù)求取。

現(xiàn)有的技術(shù)提供了多種控制冬季制冷模式下的測試裝置，但仍達不到恒熱流測試精度要求，即使采用不同輔助調(diào)節(jié)的方式進行吸熱恒熱流測試，也仍存在一定周期性的波動，達不到研究冬夏差別的精度要求。

對測試結(jié)果精度產(chǎn)生的影響有兩種溫度波動，短周期波動與長周期波動。測試介質(zhì)流體一般為水，其比熱容大，熱慣性較高，并且流經(jīng)管道存在一定時間，溫度傳感器等熱敏元件對短時間突然變化的溫度會有一定的延遲反應，使某一時刻測得的溫度數(shù)值可能與執(zhí)行元件處的溫度變化趨勢不同，從而使溫度波動變大。由于實際測試中不同流量、不同溫度時有不同的傳熱特征，采用PID比例積分方式也不能很好的消除波動。雖然短周期波動的數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理后有消除波動的明顯改善，但其波動周期與測試溫度數(shù)據(jù)采樣周期重合或存在倍數(shù)關(guān)系時，會在較長時間的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生偏離誤差。

對熱導率求解的另一影響因素為長周期波動，主要為環(huán)境影響，如天氣溫度。由于測試系統(tǒng)實際上不能完全絕熱，在外部環(huán)境和系統(tǒng)之間，存在一小部分能量傳遞。完整的測試時間一般2-3天，特別是在測試后期進回水溫度變化很小時，受環(huán)境溫度變化影響而產(chǎn)生的周期24小時的波動就會變得明顯。如在測試末期的12小時產(chǎn)生0.1度的偏差，一般會使熱導率計算數(shù)值產(chǎn)生1.5％-2％的誤差，達不到制冷和制熱工況綜合研究的精度。

此外，測試系統(tǒng)的溫度傳感器的精度與管道的保溫情況也會帶來一定的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題中的不足，本實用新型的目的在于：提供一種雙工況恒功率巖土熱響應現(xiàn)場測試裝置，能夠提高冬季與夏季雙工況下的測量精度，減少波動，避免氣溫變化的干擾，實現(xiàn)較高精度和穩(wěn)定程度的冷熱功率輸出。

本實用新型為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

所述雙工況恒功率巖土熱響應現(xiàn)場測試裝置，包括測試裝置以及對測試裝置實現(xiàn)控制的控制系統(tǒng)，測試裝置主要包括依次通過管道連接的制冷機、加熱器、流量計、地埋管以及水泵，還包括溫度傳感器T1、T2、T3和T4，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S1、S2和S3，溫度傳感器T1設置在地埋管的出水端，溫度傳感器T2設置在制冷機出口端的管路上，溫度傳感器T3設置在地埋管的進水端，溫度傳感器T4設置在測試裝置的外殼處，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S1設置在地埋管的進水端與流量計之間，并通過管路與水泵相連接，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S2設置在地埋管的出水端與流量計之間，并通過管路與水泵相連接，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S3設置在制冷機的進口端與水泵之間的管路上，并通過管路與加熱器相連接。

進一步優(yōu)選，控制系統(tǒng)包括PLC控制器，PLC控制器分別通過數(shù)據(jù)線連接著制冷機變頻器、水泵變頻器、可控硅調(diào)功器、功率傳感器、信息采集單元和輸入輸出單元。

進一步優(yōu)選，加熱器的上部依次安裝球閥和排氣閥。

進一步優(yōu)選，制冷機的進口端設置細過濾器，水泵的進口端處設置粗過濾器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型可以得到較穩(wěn)定的降低波動的輸出，可使測試裝置工作時自身的功率消耗降低，良好的保溫措施使環(huán)境溫度變化影響降到最低，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)消除了測試裝置在吸熱與排熱工況時的部分系統(tǒng)誤差，適合冬夏不同工況下的參數(shù)研究，在常規(guī)的工程應用中提高了測試精度，給出了更準確的熱響應參數(shù)。

附圖說明

圖1本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本實用新型測試裝置的主視圖；

圖3本實用新型測試裝置的俯視圖。

圖中：1、制冷變頻器；2、水泵變頻器；3、可控硅調(diào)功器；4、功率傳感器；5、PLC控制器；6、信息采集單元；7、輸入輸出單元；8、溫度傳感器T4；9、排氣閥；10、球閥；11、水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S1；12、溫度傳感器T3；13、保溫層；14、溫度傳感器T1；15、水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S2；16、流量計；17、粗過濾器；18、水泵；19、細過濾器；20、波紋管；21、水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S3；22、制冷機；23、溫度傳感器T2；24、加熱器；25、電氣柜。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型實施例做進一步描述：

如圖1-3所示，本實用新型所述雙工況恒功率巖土熱響應現(xiàn)場測試裝置，包括測試裝置以及對測試裝置實現(xiàn)控制的控制系統(tǒng)，測試裝置主要包括依次通過管道連接的制冷機22、加熱器24、流量計16、地埋管以及水泵18，還包括溫度傳感器T114、T2、T3和T4，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111、S2和S3，并使用PVC材質(zhì)，能夠減少進回水之間由于溫差存在的熱短路現(xiàn)象，溫度傳感器T114設置在地埋管的出水端，溫度傳感器T223設置在制冷機22出口端的管路上，溫度傳感器T312設置地埋管的進水端，溫度傳感器T48設置在測試裝置的外殼處，測量環(huán)境溫度，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111設置在地埋管的進水端與流量計16之間，并通過管路與水泵18相連接，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S215設置在地埋管的出水端與流量計16之間，并通過管路與水泵18相連接，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S321設置在制冷機22的進口端與水泵18之間的管路上，并通過管路與加熱器24相連接；水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111和水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S215可以使系統(tǒng)誤差予以抵消。

控制系統(tǒng)包括PLC控制器5，對測試過程進行自動控制，PLC控制器5放置在電氣柜25內(nèi)，PLC控制器5分別通過數(shù)據(jù)線連接著控制制冷機22功率的制冷機22變頻器，控制水泵18的水泵變頻器2，對加熱器24調(diào)節(jié)功率的可控硅調(diào)功器3，反饋加熱功率的功率傳感器4，以及負責信息傳遞的信息采集單元6和輸入輸出單元7。

溫度傳感器T114、T2、T3采用鎧裝PT1000型，溫度傳感器T4采用PT100型，

制冷機22為測試裝置提供冷源，通過改變頻率調(diào)整輸出功率，使之超出測試裝置輸出功率一定的范圍，制冷機22單獨置于一殼體內(nèi)，通過柔性管道與其他管路連接，柔性管道為波紋管20，便于搬運和減少運行時的震動。隨測試工況不同，可以調(diào)整管路與制冷機22的連通情況，通過水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S321與球閥10實現(xiàn)水路循環(huán)的改變。

為有利于充水排氣，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111和水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S215安裝高度同補水口一致，在加熱器24上部位置引出管道至測試裝置殼體外部，依次安裝球閥10和排氣閥9。

制冷機22的進口端設置細過濾器19，水泵18的進口端處設置粗過濾器17，細過濾器19和粗過濾器17采用Y型過濾器，在制熱工況下，水流可以只通過粗過濾器17，制冷工況下，為防止水流通過制冷機22蒸發(fā)器發(fā)生堵塞，水流也通過細過濾器19。

所述雙工況恒功率巖土熱響應現(xiàn)場測試裝置的三級控制方法，冬季吸熱測試工況時，包括以下步驟：

第一級調(diào)控，第一級調(diào)控的數(shù)據(jù)來源于制冷機22的變工況特征，利用溫度傳感器T48測得的環(huán)境溫度、制冷機22的額定功率及功率調(diào)節(jié)系數(shù)、設定的測試功率，調(diào)節(jié)步長取5-10分鐘，計算需調(diào)節(jié)的制冷機22頻率，再增加一部分調(diào)節(jié)余量，傳送給制冷變頻器1執(zhí)行；計算公式如下：

f需調(diào)節(jié)的制冷機22頻率

P_f設定的測試功率

K₁功率調(diào)節(jié)的余量系數(shù)，一般取1.2—1.3

K₂制冷機22的變工況特征系數(shù)，一般取-0.01—-0.015

K₃制冷機22的變工況特征系數(shù)，一般取1.1—1.3

P_c制冷機22的額定功率

f_c制冷機22的額定頻率

T₄環(huán)境溫度

由于制冷機22輸出功率相對各種工況變化反應時間較長，所以在設置控制時間步長適當加大，以盡可能使輸出功率的曲線平滑，減少波動，選擇合適的調(diào)節(jié)余量系數(shù)，可以減少測試中的測試裝置自身的功率。

第二級調(diào)控，PLC控制器5給出設定的測試功率與制冷機22輸出功率的差值，使可控硅調(diào)功器3執(zhí)行輸出，通過功率傳感器4，反饋實際功率數(shù)值，計算加熱器24需要的調(diào)節(jié)功率，再使加熱器24調(diào)控的功率更精確；計算公式如下：

P_e＝(T₂-T₁)·Q·ρc-P_f

P_e加熱器24需要的調(diào)節(jié)功率

T₁測試裝置進水溫度

T₂制冷機22與加熱器24之間的溫度

Q流體流量

ρc水的體積熱容

鑒于一級調(diào)控輸出已較平穩(wěn)，變化緩慢，所以二級調(diào)控步長可以適當變小，但每步驟變動幅度要小，防止產(chǎn)生新的波動。由于是對一級輸出的另外控制，功率傳感器4只是對可控硅調(diào)功器3輸出的監(jiān)測，也可稱為開環(huán)調(diào)控方式。

第三級調(diào)控，計算需要調(diào)節(jié)的補償功率，氣溫變化會使溫度測試曲線產(chǎn)生隨時間的長周期的波動，如果對測試裝置進出口的水溫進行反饋控制的話，就會因此產(chǎn)生短周期的波動，所以也可采用開環(huán)控制的方式給予調(diào)節(jié)。一般對于一個固定的加熱器24來說，理論上說是與外界絕熱的，實際應用中，由于水管連接、電器連接、排水口、固定支撐部件的存在，加熱器24的內(nèi)部流體與外環(huán)境之間存在一定量的熱交換，有著相對固定的熱阻，在一定溫差條件下，所以測試儀采集的逐時氣溫數(shù)據(jù)與加熱器24內(nèi)部流體溫度對比，然后根據(jù)固定的熱阻值，二者乘積即為需要補償?shù)墓β?，此值可能為正值也可能為負值。將此功率?shù)值傳送給可控硅調(diào)功器3，累加到第二級調(diào)控的功率輸出數(shù)值之上；計算公式如下：

ΔP_e需要調(diào)節(jié)的補償功率

T₃測試裝置出水溫度

R加熱器24與外界環(huán)境之間的熱阻，一般取0.2—1

P_e'需要調(diào)節(jié)的補償功率。

在模擬測試夏季工況時，將制冷機22關(guān)停，第二級調(diào)控直接給可控硅調(diào)功器3一個設定功率數(shù)值，第三級步驟仍按與冬季吸熱工況相同的步驟進行。

此外，為進一步減少天氣因素導致的近地表的巖土體溫度變化影響，除測試裝置進出口至測試孔之間加裝保溫層13，從測試孔地表至地下一定深度處同樣做好管道保溫。

具體的操作步驟為：

冬季工況取熱恒功率模式：管道連接后，管道保溫，充水排氣，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111置于AC連通BC截止位置，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S215置于AC截止BC連通位置，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S321置于AC截止BC連通位置。開機加電，設定流量、設定測試功率和采樣間隔等參數(shù)，依次啟動水泵18、制冷機22與加熱器24調(diào)控裝置，測試系統(tǒng)正常工作，存儲裝置每間隔一段時間采取溫度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)，符合測試要求后，停止系統(tǒng)工作，傳輸數(shù)據(jù)。

夏季排熱工況下，需要水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S111置于AC截止BC聯(lián)通位置、水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S215置于AC聯(lián)通BC截止位置。此時溫度傳感器T312處為測試裝置進水，溫度傳感器T114處為測試裝置回水。關(guān)停制冷機22，使用加熱器24執(zhí)行設定的輸出功率數(shù)值。由于溫度傳感器T312至T2流經(jīng)環(huán)路較長，系統(tǒng)采集的溫度傳感器T223和T3的溫度可能有差別，為減少影響，可將制冷機22斷開，水流方向轉(zhuǎn)換開關(guān)S321置于AC聯(lián)通BC截止位置，關(guān)閉該處的球閥10,使內(nèi)部環(huán)路另行連通。