專利名稱：地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，屬于建筑節(jié)能與制冷工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國節(jié)能環(huán)保政策的推進(jìn)，地埋管地源熱泵技術(shù)受到了暖通空調(diào)行業(yè)的關(guān)注，地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以儲(chǔ)藏在土壤中的可再生的地?zé)崮転槔?、熱源的地源熱泵系統(tǒng)其能夠?yàn)榻ㄖ膳?、空調(diào)及生活熱水提供熱量，具有節(jié)能、無污染、應(yīng)用范圍廣和系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在全球范圍內(nèi)得以廣泛利用。地源熱泵的核心技術(shù)是地埋管換熱器的設(shè)計(jì)與施工，地源熱泵成功的關(guān)鍵在于取得可靠的當(dāng)?shù)赝寥捞匦?，包括地下土壤穩(wěn)定狀態(tài)下的取熱特性、放熱特性、不同深度的單位井深土壤換熱量以及土壤的熱物性。其中，地埋管換熱器施工地點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同淺層土壤熱特性會(huì)很大的變化，因此，有必要在新的建筑工地上進(jìn)行地埋管換熱器的實(shí)地測試試驗(yàn)研究，測試當(dāng)?shù)赝寥罍?zhǔn)確的取放熱特性及巖土的熱物性，為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行提供保證。無論是對于實(shí)際的工程應(yīng)用還是對于地埋管換熱器的深入研究都有著重要的意義。在現(xiàn)有的關(guān)于地源熱泵土壤熱物性的測試技術(shù)中，申請?zhí)枮?00710188219. 9，名稱為淺層地溫能熱、冷響應(yīng)測試設(shè)備以及測試車的發(fā)明專利公開一種由用于輸送流體的循環(huán)管路、設(shè)置在循環(huán)管路上的用于對流體介質(zhì)加熱或者降溫的空氣源熱泵、用于輸送流體介質(zhì)的泵和設(shè)置在循環(huán)管路上的溫度傳感器和流量傳感器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成的測試設(shè)備，可以按照要求建立工況設(shè)定溫度，無論是冬季工況還是夏季工況，測定地埋管換熱能力，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊，簡便易操作。但存在以下問題使用變頻的空氣源熱泵導(dǎo)致所需冷源較小時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)過載保護(hù)現(xiàn)象；同時(shí)該發(fā)明只能通過控制冬季及夏季工況下的所需的冷熱源工況進(jìn)行溫度的設(shè)定，測試出地埋管的換熱能力，而不能夠完成恒熱流工況的測試，進(jìn)而無法獲得巖土體的熱物性參數(shù)，如巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容，因而該發(fā)明裝置的測試功能較為單一。如果能發(fā)明一裝置即可以按照要求建立工況設(shè)定溫度，不出現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)過載保護(hù)現(xiàn)象，完成地埋管取放熱特性的測試； 又可以建立恒定的加熱熱流工況，獲取巖土體的熱物性，則會(huì)給地源熱泵用巖土體熱物性測試工作帶來極大的方便與改進(jìn)。因此，需要設(shè)計(jì)出一套既能夠完成地埋管換熱器的冬、夏季工況下的取放熱特性測試，又能完成巖土熱物性測試的綜合測試裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，不僅能夠完成地埋管換熱器的冬、夏季工況下的取放熱特性測試，獲得地埋管的單位延米換熱量，也可以完成巖土熱物性測試，獲取巖土體的熱物性參數(shù)，包括巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容。為地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中地埋管的設(shè)計(jì)提供了有利的依據(jù)。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，包括風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)與電加熱水循環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)回路依次包括冷凝風(fēng)機(jī)、 冷凝器、冷凝壓力調(diào)節(jié)閥、第一壓力表、儲(chǔ)液器、干燥過濾器、電磁閥、膨脹閥、蒸發(fā)器、第二壓力表、制冷壓縮機(jī)，回路中的循環(huán)介質(zhì)為制冷劑R22，通過回路制備冷凍水儲(chǔ)存在水箱中。 在冷凝器輸出端連接冷凝壓力調(diào)節(jié)閥，第一壓力表并聯(lián)在冷凝器的兩端；干燥過濾器與蒸發(fā)器之間設(shè)置電磁閥、膨脹閥，制冷劑通過干燥過濾器進(jìn)行干燥后通過膨脹閥變成低溫的液態(tài)制冷劑，然后到置于水箱中的冷凝盤管與水箱中的水進(jìn)行換熱，獲取冷水；制冷壓縮機(jī)的兩端并聯(lián)壓力控制器用于保護(hù)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)頂部連接熱保護(hù)裝置用以保護(hù)壓縮機(jī)。蒸發(fā)器與制冷壓縮機(jī)之間安裝第二壓力表，用于保證蒸發(fā)器的制冷劑的壓力在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到保證裝置的作用。電加熱系統(tǒng)水系統(tǒng)回路依次包括水箱、第一球閥、流量保護(hù)裝置、水泵、電加熱器、電加熱器高溫保護(hù)裝置、比例三通調(diào)節(jié)閥、第一溫度變送器、流量計(jì)、第二溫度變送器、 第三溫度變送器、第二球閥。其中，用于切換系統(tǒng)的第三球閥與水箱并聯(lián)連接；第四球閥與膨脹水箱連接后接與流量保護(hù)裝置的進(jìn)口段；排水閥接在水箱底部的管路上，試驗(yàn)結(jié)束后打開排水閥排出機(jī)箱內(nèi)水箱與水管中的水；低溫保護(hù)裝置接在水箱上防止出現(xiàn)制冷循環(huán)中水箱中水溫過低現(xiàn)象；電加熱器的內(nèi)置的溫度控制器與比例三通調(diào)節(jié)閥流量控制器共同連接到PID控制器，用于采集電加熱功率及循環(huán)水流量；比例三通調(diào)節(jié)閥出口的第一溫度變送器與地埋管入口處的流量計(jì)共同接至PID控制器，用于在試驗(yàn)開始或進(jìn)行中觀察水溫及流量的變化情況并可以進(jìn)行調(diào)節(jié)；地埋管進(jìn)口處的第二溫度變送器、地埋管出口處的第三溫度變送器與地埋管入口處的流量計(jì)共同連接至數(shù)據(jù)采集儀的輸入端，用于采集地埋管進(jìn)出口水溫；電加熱器的內(nèi)置的電功率控制器輸入端連接至電功率計(jì)，通過電功率計(jì)可以設(shè)定所需工況下的恒定的加熱功率。在本裝置的系統(tǒng)中，安裝于地埋管進(jìn)口的比例三通調(diào)節(jié)閥對本裝置的冬季工況的測試有著重要的意義。冬季工況下，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器吸收水箱中水的熱量以達(dá)到制備冷水的目的，然而在實(shí)際的測試過程中，由于測試孔地埋管流量及流速的限制，實(shí)際需要的制冷量通常較小，如果所需制冷量太小，會(huì)影響風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，所以本裝置中通過使用比例三通調(diào)節(jié)閥來避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。主要過程為比例三通調(diào)節(jié)閥在保證流入地埋管換熱器的流量達(dá)到要求時(shí)，再將多余的流量通過三通調(diào)節(jié)閥的回到水箱， 這樣就保證了不會(huì)因?yàn)橹评淞窟^小導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。本發(fā)明裝置測試的數(shù)據(jù)有地埋管進(jìn)出口水溫、循環(huán)水流量及定加熱功率，熱物性計(jì)算采用無限長線熱源法。本發(fā)明裝置不僅可以在設(shè)定恒定加熱量的狀態(tài)下，利用進(jìn)出口的水溫平均值的變化趨勢計(jì)算出巖土體的綜合熱物性，還可以在任何季節(jié)按照工程需求設(shè)定工況溫度和水流量，獲得地埋管單位延米的換熱量。本發(fā)明集淺層地溫能冬、夏季工況及恒熱流工況熱物性測試試驗(yàn)為一體，測試功能齊全，易移動(dòng)，使用范圍廣，操作簡單，能為地埋管設(shè)計(jì)提供精確的設(shè)計(jì)參數(shù)。


圖1為測試裝置的原理圖；圖1主要的附圖標(biāo)記說明如下1冷凝風(fēng)機(jī)，2冷凝器，3冷凝壓力調(diào)節(jié)閥，4第一壓力，5儲(chǔ)液器，6干燥過濾，7電磁閥，8膨脹閥，9蒸發(fā)器盤管，10第二壓力表，11制冷壓縮機(jī)， 12過熱保護(hù)器，13壓力控制器，14水箱，15第一球閥，16流量保護(hù)裝置，17水泵，18電加熱器，19高溫保護(hù)裝置，20比例三通調(diào)節(jié)閥，21第一溫度變送器，22流量計(jì)，23第二溫度變送器，M第三溫度變送器，25第二球閥J6第三球閥，27第四球閥，觀膨脹水箱，四排水閥，30 低溫保護(hù)裝置，31PID控制器，32PID控制器，33數(shù)據(jù)采集儀，34電功率計(jì)。圖2為測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(1)為測試裝置的左側(cè)面圖；圖2(2)為測試裝置的后側(cè)面圖；圖2 (3)分別右側(cè)面圖；圖2(4)為測試裝置的俯視圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖1對本發(fā)明裝置的具體實(shí)施做進(jìn)一步的描述圖1為測試裝置的系統(tǒng)原理圖，如圖1所示，一種地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置包括包括風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)與電加熱水循環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)包括冷凝風(fēng)機(jī)1、冷凝器2、冷凝壓力調(diào)節(jié)閥3、第一壓力表4、儲(chǔ)液器5、干燥過濾器6、電磁閥7、膨脹閥8、蒸發(fā)器盤管9、第二壓力表10、制冷壓縮機(jī)11，與壓縮機(jī)11配套的裝置有過熱保護(hù)裝置12及接在壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓力控制器13。其中，冷凝器2、儲(chǔ)液器5、干燥過濾器6、蒸發(fā)器盤管9、 制冷壓縮機(jī)11、冷凝器2依次串聯(lián)形成回路，在冷凝器輸出端連接冷凝壓力調(diào)節(jié)閥3，第一壓力表4并聯(lián)在冷凝器2的兩端，干燥過濾器6與蒸發(fā)器盤管9之間設(shè)置電磁閥7、膨脹閥 8 ；制冷壓縮機(jī)11的兩端并聯(lián)壓力控制器13，壓縮機(jī)11頂部連接熱保護(hù)裝置12用以保護(hù)壓縮機(jī)。內(nèi)置蒸發(fā)器盤管9的水箱14與制冷壓縮機(jī)11之間安裝第二壓力表10。該系統(tǒng)連接管路內(nèi)的介質(zhì)是制冷劑R22，主要原理為低溫低壓的液態(tài)制冷劑通過制冷壓縮機(jī)11壓縮后變成高溫高壓的氣態(tài)，然后輸送到冷凝器2的冷凝盤管與空氣進(jìn)行換熱，變成高壓低溫的液體到達(dá)儲(chǔ)液器5，然后經(jīng)過干燥過濾器6進(jìn)行干燥，通過電磁閥7與膨脹閥8變成低溫低壓的液體，再輸送到安裝有蒸發(fā)器盤管9的水箱14，通過盤管與水箱中的水進(jìn)行換熱， 變成高溫的液態(tài)制冷劑，同時(shí)水箱內(nèi)的水溫降低，然后再被吸入到制冷壓縮機(jī)11，完成一次循環(huán)，制備所需工況下的冷水，用于測試地埋管冬季工況下的取熱特性。電加熱水循環(huán)系統(tǒng)包括內(nèi)置蒸發(fā)器盤管9的水箱14、第一球閥15、流量保護(hù)裝置 16、水泵17、電加熱器18、電加熱器高溫保護(hù)裝置19、比例三通調(diào)節(jié)閥20、第一溫度變送器 21、流量計(jì)22、第二溫度變送器23、第三溫度變送器M、第二球閥25，其中，用于切換系統(tǒng)的第三球閥沈與水箱14并聯(lián)；第四球閥27與膨脹水箱觀連接后接到流量保護(hù)裝置16的進(jìn)口端；排水閥四接在水箱14底部的管路上，當(dāng)試驗(yàn)完成后可以通過打開排水閥四排出水箱及水管中的水；低溫保護(hù)裝置30接在水箱14上；電加熱器18內(nèi)置的溫度控制器與比例三通調(diào)節(jié)閥20的流量控制器共同連接到PID控制器31，便于在測試開始時(shí)及測試過程中對即時(shí)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行觀察和調(diào)節(jié)；比例三通調(diào)節(jié)閥20出口連接的第一溫度變送器21與地埋管入口處的流量計(jì)22共同接至PID控制器32，用于防止當(dāng)冷負(fù)荷過小時(shí)壓縮機(jī)出現(xiàn)過載現(xiàn)象；地埋管進(jìn)口處的第二溫度變送器23、地埋管出口處的第三溫度變送器M與地埋管入口處的流量計(jì)22共同連接至數(shù)據(jù)采集儀33的輸入端，以便數(shù)據(jù)采集器每間隔一定的時(shí)間內(nèi)記錄下地埋管進(jìn)、出口水溫；電加熱器18的內(nèi)置的電功率控制器輸入端連接至電功率計(jì) 34通過電功率計(jì)可以設(shè)定所需的工況的恒定的加熱功率，用以在恒定熱流工況下，獲得地埋管進(jìn)出口平均水溫的變化趨勢，進(jìn)而得出巖土體的熱物性。在夏季工況下，是通過PID控制器32對地埋管的入口水溫進(jìn)行設(shè)定，保證地埋管的進(jìn)口水溫保持不變，不需要開始電功率計(jì)34進(jìn)行設(shè)定加熱功率，通過回水溫度的變化，獲取夏季工況下地埋管的放熱特性。該系統(tǒng)管路中的介質(zhì)是水，工作過程為水箱14中的水通過第一球閥15輸送到水泵17加壓， 然后通過電加熱器18、比例三通調(diào)節(jié)閥20、第一溫度變送器21、地埋管入口處的流量計(jì)22 及入口處第二溫度變送器23輸入地埋管中，與巖土體換熱后通過第三溫度變送器M回到水箱14，完成一次循環(huán)。在裝置啟動(dòng)之前，將埋于測試孔并已經(jīng)通過沖水試壓地埋管的兩端與測試裝置的地埋管進(jìn)出口段連接好，形成一個(gè)閉合回路。開啟電源總開關(guān)，開啟第一球閥15及第二球閥25，通過補(bǔ)水閥四充水，直到水箱14的溢水管有水流出，停止充水。接著開啟水泵17， 進(jìn)行排氣，之后設(shè)定流量，開啟數(shù)據(jù)采集儀33。如進(jìn)行冬季工況測試，開啟制冷系統(tǒng)按鈕，設(shè)定所需冷源溫度，制冷系統(tǒng)開始工作；第二溫度變送器23、第三溫度變送器M及電磁流量計(jì)22通過傳輸線將地埋管進(jìn)出口水溫及流量傳送到數(shù)據(jù)采集儀33，數(shù)據(jù)采集儀33每隔一段時(shí)間記錄并保存一次數(shù)據(jù)。如進(jìn)行夏季工況測試，開啟加熱器18，設(shè)定所需熱源溫度，加熱器18開始工作直到水溫升高到設(shè)定溫度，同時(shí)，第二溫度變送器23、第三溫度變送器M及電磁流量計(jì)22通過傳輸線將地埋管進(jìn)出口水溫及流量傳送到數(shù)據(jù)采集儀33，數(shù)據(jù)采集儀每隔一段時(shí)間記錄并保存一次數(shù)據(jù)。如進(jìn)行恒熱流測試，則關(guān)閉第一球閥15及第二球閥25，開啟第三球閥沈及第四球閥27，開啟電加熱器18，接著開啟電功率計(jì)34并設(shè)定所需的加熱功率(0-12kW范圍可以任意設(shè)定)；同時(shí)，第二溫度變送器23、第三溫度變送器M及電磁流量計(jì)22通過傳輸線將地埋管進(jìn)出口水溫及流量傳送到數(shù)據(jù)采集儀33，數(shù)據(jù)采集儀每隔一段時(shí)間記錄并保存一次數(shù)據(jù)。模型計(jì)算過程如下通過埋設(shè)的地埋管換熱器從地下土壤層吸收熱量，再輸送到各個(gè)房間。測量地埋管冬天的傳熱功能，就是根據(jù)熱泵運(yùn)行所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度，制成一定溫度的冷水，通過循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)冷水在埋設(shè)的PE管中以一定的速度流動(dòng)，冷水在PE管中的流動(dòng)過程中，從土壤里吸取熱量，溫度升高。地埋管的取熱試驗(yàn)就是根據(jù)循環(huán)水在PE地埋管中流動(dòng)過程中從土壤中吸取的熱量，來確定地埋管在取熱過程中的傳熱能力。與散熱試驗(yàn)類似，取熱試驗(yàn)可以用地埋管的進(jìn)水溫度和被用作試驗(yàn)參數(shù)，通過改變地埋管的進(jìn)水溫度和循環(huán)水的流量，來確定地埋管的傳熱性能。冬、夏季工況計(jì)算方法簡介在測試儀獲得水流量、流出地下埋管的水溫和流進(jìn)地下埋管的水溫后，按照下面公式計(jì)算被測孔內(nèi)地埋管的換熱量Q1 = pvcp(tout-tin)(1)式中誶是換熱量(kW) ；ν是水流量(m3/S)，由流量傳感器31測得；t。ut是流出地下埋管的水溫(V )，由測溫傳感器34測得；tin是流進(jìn)地下埋管的水溫(°C )，由測溫傳感器33測得；P是水的密度(kg/m3) ;cp是水的比熱(kj/kg · K)，取值4. 1868。
單位孔深的換熱量為
權(quán)利要求
1.地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，包括制冷循環(huán)回路系統(tǒng)和水路循環(huán)回路系統(tǒng)，制冷循環(huán)回路系統(tǒng)包括依次連接的冷凝風(fēng)機(jī)(1)、冷凝器(2)、儲(chǔ)液器(5)、干燥過濾器(6)、蒸發(fā)器盤管(9)、制冷壓縮機(jī)(11)，其特征在于水路循環(huán)回路系統(tǒng)依次包括水箱(14)、第一球閥(15)、水泵(17)、電加熱器(18)、比例三通調(diào)節(jié)閥(20)、第一溫度變送器 (21)、第二溫度變送器(23)、第三溫度變送器(24)、第二球閥(25)；其中，水箱(14)、第一球閥(15)、水泵(17)、電加熱器(18)依次連接，第三球閥06)與水箱(14)并聯(lián)連接，第四球閥(27 )與膨脹水箱(28 )連接后接在電加熱器(18 )之前；電加熱器(18 )內(nèi)置的溫度控制器與比例三通調(diào)節(jié)閥(20 )流量控制器共同連接到PID控制器(31);比例三通調(diào)節(jié)閥(20 )直接出口處的第一溫度變送器(21)與地埋管入口處的流量計(jì)(22)共同接至PID控制器(32)， 側(cè)接出口通過管件直接連接至第二球閥(25)的進(jìn)口處；地埋管進(jìn)口處的第二溫度變送器 (23)、地埋管出口處的第三溫度變送器(24)與地埋管入口處的流量計(jì)22共同連接至數(shù)據(jù)采集儀(33)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，其特征在于冷凝器兩端連接第一壓力表(4)，輸出端連接冷凝壓力調(diào)節(jié)閥(3)；干燥過濾器(6)與蒸發(fā)器盤管(9)之間設(shè)置電磁閥(7)、膨脹閥(8);制冷壓縮機(jī)(11)兩端并聯(lián)壓力控制器(13)，制冷壓縮機(jī)(11)頂部連接熱保護(hù)裝置(12)；蒸發(fā)器盤管(9)與制冷壓縮機(jī)(11)之間安裝第二壓力表(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，其特征在于接在水箱底部的管路上安裝排水閥(29);水箱(14)上安裝低溫保護(hù)裝置(30)，電加熱器(18) 的內(nèi)置的電功率控制器輸入端連接至電功率計(jì)(34 )。
全文摘要
地源熱泵用多功能巖土體熱物性測試裝置，包括制冷循環(huán)回路系統(tǒng)和水路循環(huán)回路系統(tǒng)，其特征在于水路循環(huán)回路系統(tǒng)的電加熱器內(nèi)置的溫度控制器與比例三通調(diào)節(jié)閥流量控制器共同連接到PID控制器31；比例三通調(diào)節(jié)閥直接出口處的第一溫度變送器與地埋管入口處的流量計(jì)共同接至PID控制器32，側(cè)接出口通過管件直接連接至第二球閥25的進(jìn)口處；地埋管進(jìn)口處的第二溫度變送器23、地埋管出口處的第三溫度變送器24與地埋管入口處的流量計(jì)22共同連接至數(shù)據(jù)采集儀33的輸入端；本發(fā)明借助兩系統(tǒng)的閥門切換完成不同工況的測試，可以在設(shè)定恒定加熱量的狀態(tài)下，利用進(jìn)出口的水溫平均值的變化趨勢計(jì)算出巖土體的綜合熱物性，在任何季節(jié)按照工程需求設(shè)定工況溫度和水流量，獲得地埋管的取放熱特性。
文檔編號G01N25/20GK102243192SQ201110094220
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者任倩, 張小松, 李舒宏, 鄭曉紅, 錢華, 聞才 申請人:東南大學(xué)