專利名稱：基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法
技術領域：
本發明涉及一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法。
背景技術：
地源熱泵系統與其它空氣調節系統相比優點突出。由于地層深處溫度常年維持不變，遠遠高于冬季的室外溫度，而又明顯低于夏季室外溫度，因此地源熱泵克服了空氣源熱泵的技術障礙，效率有很大的提高，節能效果明顯。另外還具有低噪音、占地面積少、不排放污染物、不用抽取地下水、運行及維護費用低、壽命長等許多優點。
設計地源熱泵系統的地熱換熱器需要知道地下巖土的熱物性參數。如果熱物性參數不準確，則設計的系統可能達不到負荷需要，也可能規模過大，從而加大初投資。確定地下巖土物性參數的傳統方法是首先根據鉆孔時取出的樣本確定鉆孔周圍的地質構成，再通過查有關手冊確定導熱系數。然而地下地質結構構成復雜，即使同一種巖石成分，其熱物性參數取值范圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系數可相差近十倍，導致計算得到的埋管長度也相差數倍，從而在地源熱泵系統的造價中也會產生相當大的偏差。另外，不同的封井材料，埋管方式對換熱都有影響，因此只有在現場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數。但是由于以往的工程實踐中很少涉及這樣的問題，既缺乏這方面數據的積累，也缺乏現成的測試方法。
發明內容
本發明的目的就是為了解決目前在地源熱泵系統的設計中對地下巖土熱物性參數測量不準確的問題，提供一種具有結構緊湊，便于攜帶，可方便準確的現場對地下巖土的熱物性參數進行測量的基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀。
為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，I、至少一個流量傳感器、至少一個排氣裝置I、至少一個循環水泵、至少一個排氣裝置II、至少一個電加熱器；在管道出口端B設置至少一個溫度傳感器II；流量傳感器、溫度傳感器I與監控系統連接；電壓傳感器、溫度傳感器II與監控系統連接；電加熱器經監控系統與供電電源相連。
所述監控系統包括儀表系統，儀表系統組成為包括單片機通過系統I/O口與數據存儲器、RS232串口通訊、時鐘電路、LCD顯示器及鍵盤、A/D模數轉換器、打印機、流量傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、開關量輸出相連接；另為系統提供配套電源及風扇。
所述監控系統還包括操作控制系統，其組成為；它包括220V交流電源，該電源經過流保險1A與儀表開關K1、儀表電源連接；同時水泵電源經水泵開關K2與儀表電源并聯；接觸器JQ與熱繼電器RJ、控制繼電器KJ串聯后經加熱器開關K3與水泵電源并聯；儀表電源上并聯指示燈D1、水泵電源上并聯指示燈D2、接觸器JQ上并聯指示燈D3；同時電源還經過流保險15A、接觸器JQ開關與電加熱器連接，電加熱器與電壓傳感器輸入端連接。
所述流量傳感器型號為LWGY-15渦輪流量傳感器，用以產生與流量值相對應的脈沖信號；溫度傳感器I和溫度傳感器II的型號為BSWB-01，其輸出與溫度0-100℃相對應的4-20MA的標準電流信號；電加熱器的加熱管為額定功率為3000瓦的熱阻型加熱管；循環水泵型號為15PLBR 14-4。
所述儀表系統中的A/D模數轉換通道型號為TLC2543的具有11個通道的12位模數轉換芯片，它接收各路溫度傳感器變送傳來的電流信號，實行濾波和I/V變換，然后進行模數轉換；以及接收電壓傳感器變送傳來的電壓信號，進行模數轉換；得到的數字信號提供給單片機進行處理；通訊電路芯片型號為MAX232，它組成標準的RS232接口電路，用于與上位機傳輸測試數據；單片機為型號為AT89C52具有內部程序存儲器的CPU，它控制整個系統的工作，其內部的程序存儲器存放工作程序和參數，內部RAM作為系統的寄存器區、標志區和打印、顯示緩沖區；其通過I/O端口與儀表系統的芯片及電路連接，達到監控目的；數據存儲器型號為FM24C256，用于存放測試數據，數據存儲器存儲的測試數據在系統停電后不丟失；時鐘電路芯片型號為DS1302，用于為系統提供精確的絕對時鐘；開關量輸出電路芯片型號為74HC07、4N25，用于驅動控制繼電器，從而達到控制加熱器工作狀態的目的；LCD電路組件型號為OCMJ2X10C，用于即時顯示測試數據；打印機型號為MP-D16-8，用于定時、隨時打印測試數據。
一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的測試方法，在已鉆好的鉆孔中埋設導管其內灌裝流體，并按設計要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分別與現場埋設的管道相連；流體由定壓補水箱系統進入且充滿管道，管道中的氣體由排氣裝置排出后，關閉排氣裝置，然后依次開啟控制開關K1、K2、與K3；儀器正常工作狀態時，溫度傳感器I采集溫度信號T1，流量傳感器采集其流量信號；然后流體通過循環泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號T2由傳感器II采集后，再從管道出口輸入到埋置于深層巖土中的導管內，其導管內加熱了的流體與巖土進行了熱交換后，又從測試儀管道入口返回到測試儀內，形成封閉的循環；電壓傳感器采集的施加于電加熱器上的電源電壓和電加熱器的固有電阻確定了加熱功率；在一定時間內連續采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數據，再利用參數估算法求出巖土的平均導熱系數。
進行參數估算時按公式f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>將通過傳熱模型得到的結果與實際測量的結果進行對比，使得方差和取得最小值時，調整后的熱物性參數數值即是所求的結果，其中Tcal，i為第i時刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時刻實際測量的導管中流體的平均溫度；N為實驗測量數據的組數。
本發明測試儀器由流量傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、水泵、電加熱器、管道、定壓補水箱系統、排氣裝置和監控系統等組成，由于地下巖土的導熱系數等無法直接測量，只能通過測量溫度、熱流等相關參數進行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設導管并按設計要求回填，該鉆孔中的導管將來可以作為地熱換熱器的一個支路使用，回路中充滿水，讓水在回路中循環流動，自某一時刻起對水連續加熱相當長的時間(數天)，并測量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應的時間，最后根據已知的數據推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數。
本發明的有益效果為儀器結構緊湊、便于攜帶，現場運行穩定、測試數據準確，利于研究、開發地源熱泵空調系統并使之產業化，有可能成為我國經濟發展的一個新的增長點。因此，便攜式巖土熱物性測試儀的應用前景很好。
圖1為本發明的測試儀結構框圖；圖2為測試儀監控系統的儀表系統框圖；圖3為測試時間對測試結果的影響圖；圖4為管子間距對測試結果的影響圖；
圖5為測試儀監控系統中操作控制系統的電氣原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
圖1中，由于泵的作用，流體由A口進入，溫度傳感器I采集溫度信號T1，流量傳感器采集其流量信號，流體通過循環泵后，由電加熱器加熱，循環泵兩側設置排氣裝置I和排氣裝置II，加熱的流體溫度信號T2由傳感器采集后，再從B口輸入到埋置于巖土中的導管內，其導管內加熱了的流體與巖土進行了熱交換后，又從A口返回到儀器內，形成封閉的循環。電壓傳感器采集的施加于電加熱器上的電源電壓和電加熱器的固有電阻確定了加熱功率。在一定時間內連續采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數據，再利用參數估算法求出巖土的平均導熱系數，達到檢測目的。
圖2給出了測試儀的儀表系統結構，包括單片機通過系統I/O口與數據存儲器、RS232串口通訊、時鐘電路、LCD顯示器及鍵盤、A/D模數轉換器、打印機、流量傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、開關量輸出相連接；另為系統提供配套電源及風扇。
各路溫度傳感器變送傳來的電流信號，在進行濾波和I/V變換后，以及由電壓傳感器變送傳來的電壓信號，由TLC2543進行模數轉換，TLC2543具有11個通道的12位模數轉換芯片，它接收各路溫度傳感器變送傳來的電流信號，實行濾波和I/V變換，然后進行模數轉換；以及接收電壓傳感器變送傳來的電壓信號，進行模數轉換；得到的數字信號提供給單片機進行處理。
其通訊電路芯片型號為MAX232，它組成標準的RS232接口電路，用于與上位機傳輸測試數據。
單片機為型號為AT89C52具有內部程序存儲器的CPU，它控制整個系統的工作，其內部的程序存儲器存放工作程序和參數，內部RAM作為系統的寄存器區、標志區和打印、顯示緩沖區；其通過I/O端口與儀表系統的芯片及電路連接，達到監控目的。
數據存儲器型號為FM24C256，用于存放測試數據，數據存儲器存儲的測試數據在系統停電后不丟失。
時鐘電路芯片型號為DS1302，用于為系統提供精確的絕對時鐘。
開關量輸出電路芯片型號為74HC07、4N25，用于驅動控制繼電器，從而達到控制加熱器工作狀態的目的；LCD電路組件型號為OCMJ2X10C，用于即時顯示測試數據；打印機型號為MP-D16-8，用于定時、隨時打印測試數據。
圖5給出了測試儀的操作控制系統電氣原理圖，其組成為它包括220V交流電源，該電源經過流保險1A與儀表開關K1、儀表電源連接；同時水泵電源經水泵開關K2與儀表電源并聯；接觸器JQ與熱繼電器RJ、控制繼電器KJ串聯后經加熱器開關K3與水泵電源并聯；儀表電源上并聯指示燈D1、水泵電源上并聯指示燈D2、接觸器JQ上并聯指示燈D3；同時電源還經過流保險15A、接觸器JQ開關與電加熱器連接，電加熱器與電壓傳感器輸入端連接。
其中，過流保險1A是操作控制系統的；過流保險15A是加熱器的，K1是控制儀表系統電源的開關，同時，也控制循環水泵、電加熱器的開啟；K2是控制循環水泵電源的開關，同時也控制電加熱器的開啟；K3是控制電加熱器電源的開關；KJ是由儀表系統控制的繼電器；RJ是起到熱保護的繼電器；JQ是給加熱器供電的接觸器；D1、D2、D3是各個環節工作的指示燈。
本發明測試儀的測試方法為在已鉆好的鉆孔中埋設導管其內灌裝流體，并按設計要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分別與現場埋設的管道相連；流體由定壓補水箱系統進入且充滿管道，管道中的氣體由排氣裝置排出后，關閉排氣裝置，然后依次開啟控制開關K1、K2、與K3。儀器正常工作狀態時，溫度傳感器I采集溫度信號T1，流量傳感器采集其流量信號；然后流體通過循環泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號T2由傳感器II采集后，再從管道出口輸入到埋置于深層巖土中的導管內，其導管內加熱了的流體與深層巖土進行了熱交換后，又從測試儀管道入口返回到測試儀內，形成封閉的循環。電壓傳感器采集的施加于電加熱器上的電源電壓和電加熱器的固有電阻確定了加熱功率。在一定時間內連續采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數據，再利用參數估算法求出巖土的平均導熱系數。即通過傳熱模型得到的結果與實際測量的結果進行對比，使得方差和f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>取得最小值時，調整后的熱物性參數數值即是所求的結果。其中Tcal，i為第i時刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時刻實際測量的導管中流體的平均溫度；N為實驗測量數據的組數。
實施例在鉆孔孔徑115mm，深度60m，埋管內徑25mm、外徑32mm，管間距70mm，地下巖土初始溫度14.5℃，管壁導熱系數為0.33W/m℃，鉆孔回填材料導熱系數1.5W/m℃，加熱功率48W/m時。
由圖3可以看出，測試時間不同，計算出的鉆孔周圍地下巖土的平均導熱系數不同。約當測試時間達到50小時后，測出的導熱系數趨于穩定，維持在1.530～1.538W/m℃范圍之間。通常測試時間可以選取60小時左右，這樣既可以保證獲得正確的導熱系數，又可以避免測試時間過長。
維持其它條件不變，只改變導管上升管與下降管之間的間距，其對計算的巖土導熱系數的影響見圖4。當管間距變化約0.01m，計算出的導熱系數變化約4～8％。由圖中可以看出，間距越大，計算出的導熱系數越小，這是由于間距越大，鉆孔內的熱阻越小，在總熱阻不變的情況下，周圍巖土的導熱熱阻大；即導熱系數小。
權利要求
1.一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，其特征是它包括管道，在管道入口端A設置至少一個定壓補水箱；其后依次設置至少一個溫度傳感器I、至少一個流量傳感器、至少一個排氣裝置I、至少一個循環水泵、至少一個排氣裝置II、至少一個電加熱器；在管道出口端B設置至少一個溫度傳感器II；流量傳感器、溫度傳感器I與監控系統連接；電壓傳感器、溫度傳感器II與監控系統連接；電加熱器經監控系統與供電電源相連。
2.根據權利要求1所述的基于地源熱泵的便攜式巖上熱物性測試儀，其特征是所述監控系統包括儀表系統，儀表系統組成為包括單片機通過系統I/O口與數據存儲器、RS232串口通訊、時鐘電路、LCD顯示器及鍵盤、A/D模數轉換器、打印機、流量傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、開關量輸出相連接；另為系統提供配套電源及風扇。
3.根據權利要求1所述的基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，其特征是所述監控系統還包括操作控制系統，其組成為它包括220V交流電源，該電源經過流保險1A與儀表開關K1、儀表電源連接；同時水泵電源經水泵開關K2與儀表電源并聯；接觸器JQ與熱繼電器RJ、控制繼電器KJ串聯后經加熱器開關K3與水泵電源并聯；儀表電源上并聯指示燈D1、水泵電源上并聯指示燈D2、接觸器JQ上并聯指示燈D3；同時電源還經過流保險15A、接觸器JQ開關與電加熱器連接，電加熱器與電壓傳感器輸入端連接。
4.根據權利要求1所述的基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，其特征是所述流量傳感器型號為LWGY-15渦輪流量傳感器，用以產生與流量值相對應的脈沖信號；溫度傳感器I和溫度傳感器II的型號為BSWB-01，其輸出與溫度0-100℃相對應的4-20MA的標準電流信號；電加熱器的加熱管為額定功率為3000瓦的熱阻型加熱管；循環水泵型號為15PLBR 14-4。
5.根據權利要求2所述的基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，其特征是所述儀表系統中的A/D模數轉換通道型號為TLC2543的具有11個通道的12位模數轉換芯片，它接收各路溫度傳感器變送傳來的電流信號，實行濾波和I/V變換，然后進行模數轉換；以及接收電壓傳感器變送傳來的電壓信號，進行模數轉換；得到的數字信號提供給單片機進行處理；通訊電路芯片型號為MAX232，它組成標準的RS232接口電路，用于與上位機傳輸測試數據；單片機為型號為AT89C52具有內部程序存儲器的CPU，它控制整個系統的工作，其內部的程序存儲器存放工作程序和參數，內部RAM作為系統的寄存器區、標志區和打印、顯示緩沖區；其通過I/O端口與儀表系統的芯片及電路連接，達到監控目的；數據存儲器型號為FM24C256，用于存放測試數據，數據存儲器存儲的測試數據在系統停電后不丟失；時鐘電路芯片型號為DS1302，用于為系統提供精確的絕對時鐘；開關量輸出電路芯片型號為74HC07、4N25，用于驅動控制繼電器，從而達到控制加熱器工作狀態的目的；LCD電路組件型號為OCMJ2X10C，用于即時顯示測試數據；打印機型號為MP-D16-8，用于定時、隨時打印測試數據。
6.一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的測試方法，其特征是在已鉆好的鉆孔中埋設導管其內灌裝流體，并按設計要求回填；在管道入口端A和管道出口端B分別與現場埋設的管道相連；流體由定壓補水箱系統進入且充滿管道，管道中的氣體由排氣裝置排出后，關閉排氣裝置，然后依次開啟控制開關K1、K2、與K3；儀器正常工作狀態時，溫度傳感器I采集溫度信號T1，流量傳感器采集其流量信號；然后流體通過循環泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號T2由傳感器II采集后，再從管道出口輸入到埋置于深層巖土中的導管內，其導管內加熱了的流體與巖土進行了熱交換后，又從測試儀管道入口返回到測試儀內，形成封閉的循環；電壓傳感器采集的施加于電加熱器上的電源電壓和電加熱器的固有電阻確定了加熱功率；在一定時間內連續采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數據，再利用參數估算法求出巖土的平均導熱系數。
7.根據權利要求6所述的基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的測試方法，其特征是進行參數估算時按公式f=Σi=1N(Tcal,i-Texp,i)2]]>將通過傳熱模型得到的結果與實際測量的結果進行對比，使得方差和取得最小值時，調整后的熱物性參數數值即是所求的結果，其中Tcal，i為第i時刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時刻實際測量的導管中流體的平均溫度；N為實驗測量數據的組數。
全文摘要
本發明公開了一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法。它解決了解決目前在地源熱泵系統中設計中對地下巖土熱物性參數測量不準確的問題，提供一種具有結構簡單，便于攜帶，可方便準確地對地下巖土的熱物性參數進行測量。其結構為一種基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀，至少一個流量傳感器、至少一個排氣裝置I、至少一個循環水泵、至少一個排氣裝置II、至少一個電加熱器；在管道出口端B設置至少一個溫度傳感器II；流量傳感器、溫度傳感器I與監控系統連接；電壓傳感器、溫度傳感器II與監控系統連接；電加熱器經監控系統與供電電源相連。
文檔編號G01N25/18GK1815211SQ20061004258
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月27日 優先權日2006年2月27日
發明者李曉東, 于明志, 方肇洪 申請人:山東建筑工程學院地源熱泵研究所