專利名稱：土壤熱物性參數測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及土壤熱物性參數測量技術，特別是涉及一種土壤熱物性參數測量
裝置。
背景技術：
隨著人們對環境保護意識的不斷提高，越來越多的建筑采用土壤源熱泵技術來供 熱供冷，其中，土壤源熱泵是利用土壤一年四季溫度穩定的特點，冬季時將土壤能作為熱泵 供暖的熱源，即把高于環境溫度的土壤能中的熱能取出供室內采暖，夏季時將土壤能作為 空調的冷源，即把室內的熱能取出釋放到低于環境溫度的土壤中，由于土壤源熱泵在運行 中不排放污染，能源消耗低，因此，利用土壤源熱泵進行供熱供冷具有較高的節能和環保效 果。 土壤源熱泵系統的換熱器是用來連接建筑和土壤，并在兩者之間進行熱交換的重 要裝置，垂直U型管換熱器就是其中一種比較常見的換熱器，由于換熱器的設計主要取決 于建筑的冷熱負荷、土壤的初始溫度以及土壤的導熱系數和比熱容等土壤熱物性參數，因 此，在進行U型換熱管設計和埋設時需要獲得土壤的熱物性參數，以便為土壤源熱泵系統 提供設計依據，目前，土壤的熱物性參數一般是通過土壤熱物性測試儀來測量相關的參數 后在柱熱源傳熱模型中通過一定的計算后獲得。 現有技術的土壤熱物性測試儀通常包括循環管路、絕熱的介質容器、介質溫度檢 測記錄系統、定功率加熱系統和管路介質循環流量檢測記錄系統，其中，測試儀開始工作 前，將循環管路進出口分別與設置的U型換熱器的進出口連接，形成循環介質環路；定功率 加熱系統包括加熱器，用于對管路循環介質以恒定的功率進行加熱；介質溫度檢測記錄系 統包括兩個熱電阻或電偶溫度傳感器，分別設置在循環管路與U型換熱器的進口和出口連 接處，用于測量進入和流出U型換熱器進口和出口的介質的溫度；管路介質循環流量檢測 記錄系統包括流量傳感器，用于檢測和記錄介質流量的數據。在進行測量時，首先在不開啟 加熱器或冷卻器時開啟循環泵，在循環管路內使介質循環至穩定溫度時，通過溫度傳感器 獲得土壤的初始溫度數據；初始溫度測量后，利用定功率加熱器或冷卻器加熱介質并在管 路中循環，并間隔一定時間記錄相應時間點時U型換熱器進口和出口的介質循環運行時的 溫度數據，以及同一時間點環路中的介質流量數據；最后，根據測量得到的土壤的初始溫度 數據、介質循環運行時的溫度數據以及流量數據，在柱熱源傳熱模型中通過迭代計算得到 土壤的熱物性參數。 綜上，現有技術土壤熱物性測試儀測量時，只能測量得到U型管進口和出口處介 質的溫度，并且忽略了水泵自身發熱對水溫的影響，測得的溫度是整個地下土壤的平均溫 度，即現有技術測試儀是將整個地下土壤作為整體進行測量，而實際上地下土壤是垂直分 層分布地，各分層土壤的初始溫度具有較大差異，因此，根據測量得到的溫度數據計算出的 土壤的熱物性參數只是土壤的平均值，其并不能準確地反饋出土壤分層分布的特性，從而 使得獲得的土壤的熱物性參數不精確，測量結果不可靠。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種土壤熱物性參數測量裝置，可有效測量地下各分層
土壤的溫度，根據測量得到的各分層土壤的溫度獲得各分層土壤的熱物性參數可有效反饋
土壤的真實分布狀況，從而可有效提高土壤的熱物性參數測量的準確性和可靠性。
為實現上述目的，本實用新型提供了 一種土壤熱物性參數測量裝置，包括介質循
環管路和與所述介質循環管路連接的用于提供循環介質的介質容器，其中，所述介質容器
內設置有用于加熱循環介質的加熱裝置；所述介質循環管路和介質容器之間設置有用于提
供循環動力的循環水泵，所述介質循環管路的進口和出口與設置在待測量土壤中的預設介
質管道連接，使得所述循環管路和所述預設介質管道形成環路； 所述預設介質管道的內壁或外壁上設置有用于測量分層土壤溫度的溫度傳感器 組，所述溫度傳感器組包括至少兩個溫度傳感器，且各溫度傳感器按預設距離設置；所述介 質循環管路上還設置有用于測量介質流量的流量傳感器；所述傳感器組和流量傳感器分別 與數據測量控制裝置連接。 其中，所述介質循環管路和介質容器之間還設置有用于調節循環介質流量的平衡 閥。所述加熱裝置為電加熱器，設置在所述介質容器內。所述介質容器包括用于注入循環 介質的注水口 、與所述循環水泵連接的第一連接口和與所述介質循環管路連接的第二連接 口。溫度傳感器的數量可為50-100個，且間隔均勻垂直設置在所述預設介質管道的內壁或 外壁上。 此外，所述土壤熱物性參數測量裝置還可包括用于控制所述循環水泵、數據測量 控制裝置和加熱裝置運行的控制中心。 本實用新型提供了一種土壤熱物性參數測量裝置，通過設置的包括多個溫度傳感 器的傳感器組，可有效地測量各分層土壤的初始溫度、循環介質水進行熱交換過程中各分 層土壤的溫度，根據測量得到的各分層土壤的溫度數據，可精確地計算得到各分層土壤的 熱物性參數，提高土壤熱物性參數測量的準確性和可靠性，以便為土壤源熱泵的設計提供 可靠地數據，提高土壤源熱泵設計的準確性。
圖1為本實用新型土壤熱物性參數測量裝置實施例的結構示意圖。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。 由于地下土壤是分層垂直分布的，不同分層位置的土壤的溫度是不相同的，地下
土壤并非是均質的垂直分布，因此，針對現有技術在進行土壤的熱物性參數測量時，普遍將
待測量的土壤均看成是溫度均布的單一柱體，本實用新型實施例提供了一種土壤熱物性參
數測量裝置，根據土壤垂直分層分布的特性，可有效地檢測各分層土壤的分層溫度，從而使
得根據各分層土壤的分層溫度，計算出各分層土壤的熱物性參數，獲得的土壤的熱物性參
數精確、可靠，可有效反饋出土壤的實際分布情況，提高土壤熱物性參數測量的準確性，以
為土壤源熱泵的設計提供依據。[0015] 圖1為本實用新型土壤熱物性參數測量裝置實施例的結構示意圖。具體地，如圖 1所示，本實用新型實施例裝置包括介質循環管路1、介質容器2、包括至少兩個溫度傳感 器的傳感器組3、流量傳感器4和數據測量控制裝置5，其中，介質容器2可存儲用于為介質 循環管路1提供循環介質的水，其與介質循環管路1連接，同時，介質容器2內還設置有用 于加熱循環介質水的加熱裝置6 ;介質循環管路1和介質容器2之間設置有循環水泵7，提 供循環介質水的循環動力；介質循環管路l的進口和出口分別與設置在待測量土壤中的預 設介質管道8連接，以使該介質循環管路1和預設介質管道8形成一個用于循環介質可循 環流通的環路；傳感器組3設置在預設介質管道8的內壁或外壁上，且傳感器組3中的各傳 感器按預設距離設置，以用于測量各分層土壤的溫度；流量傳感器4設置在介質循環管路1 上，用于測量介質循環管路1內介質的流量；傳感器組3和流量傳感器4與數據測量控制裝 置5連接，由數據測量控制裝置5控制傳感器組3內的各傳感器和流量傳感器4的運行，并 接收傳感器組3內的各傳感器以及流量傳感器4測得的溫度數據和流量數據。根據測量得 到的土壤中各分層土壤的溫度數據和流量數據，即可通過計算得到各分層土壤的熱物性參 數，以便為土壤源熱泵的設計提供依據。 實際應用中，所述的介質容器2可包括用于注入循環介質水的注水口、與循環水 泵連接的第一連接口和與介質循環管路連接的第二連接口，以便于介質循環管路1、循環水 泵7和介質容器2更加方便可靠地組裝在一起，同時，可便于為介質容器內加入介質循環 水。此外，所述的加熱裝置6可以為電加熱器，設置在介質容器2內，且該電加熱器可以固 定的功率進行加熱，且該電加熱器的加熱功率可調，以在的加熱過程中，可滿足實際應用中 對循環介質水進行加熱的需要。 此外，如圖1所示，介質循環管路1和介質容器2之間還可設置有平衡閥9，用于調 節環路內循環介質流量。所述土壤熱物性參數測量裝置還可包括控制中心io，與循環水泵 7、數據測量控制裝置5和加熱裝置6連接，用于控制各部件的運行，通過該控制中心10，可 有效地對循環水泵7、加熱裝置6和數據測量控制裝置5進行控制，以準確可靠地完成對溫 度數據和流量數據的測量，獲得所需的測量數據。 實際應用中，溫度傳感器組3內傳感器的個數一般設置在10個以上，可根據實際 的需要而設定，如需要埋設的換熱器管的深度，可設定50-100個，具體地，本實施例中溫度 傳感器的數量設定為100個，且間隔均勻地垂直設置在預設介質管道的內壁或外壁上。其 中，每個溫度傳感器的設置的位置即可表示相應地分層土壤，通過各位置的溫度傳感器，即 可確定出相應位置土壤所處的分層土壤在各條件時的溫度。 此外，如圖l所示，本實施例中也可在預設介質管道的進出口處設置第一出口溫 度傳感器和第二出口溫度傳感器，根據測量的預設介質管道的出口溫度，可評估預設介質 管路的換熱量，為整個土壤源熱泵系統的設計提供依據。 下面對本實用新型實施例的具體測量過程進行說明，以對本實用新型技術方案有 更好的了解，具體地，利用本實用新型實施例對待測量土壤進行測量時，可包括以下步驟 步驟1、安裝測量裝置。 將預設介質管道8和傳感器組3 —起放入預先鉆好的孔洞內，其中，該預設介質管 道8為U型管換熱器，傳感器組3可設置在U型管換熱器的內壁或外壁上，優選地，將該傳 感器組3設置在U型管內，以便于各傳感器的安裝和更換；當預設介質管道8和傳感器組3被按要求下放到孔洞后，可按照施工要求將孔洞回填密實；然后，將介質循環管路1、介質 容器2、流量傳感器4、循環水泵7、加熱裝置6、數據測量控制裝置5和控制中心10等連接 好，并連接好各種信號連接線、控制線、電源線等。此外，還可對連接好的各部件進行檢測， 查看連接是否合格、可靠，若有問題，進行相應的調試。 步驟2、測量各分層土壤的初始溫度。 測量裝置安裝完畢并等待2 3天，待土壤溫度恢復到初始狀態時，在控制中心10 和數據測量控制裝置5的控制下，通過溫度傳感器測量各分層土壤的初始溫度，并通過數 據測量控制裝置5讀取和記錄溫度傳感器組3的各溫度傳感器測量得到的溫度，記錄的各 溫度傳感器的溫度應與傳感器的設置位置對應，以便可準確地計算出各傳感器設置位置所 對應的分層土壤的熱物性參數。具體地，在進行溫度測量時，傳感器組3中的各傳感器可按 預設距離布設在U型換熱管內后，可對每個傳感器進行編號，當檢測和記錄傳感器的檢測 溫度時，對每個溫度傳感器測量得到的溫度進行記錄時，與相應傳感器的編號進行對應，以 保證溫度數據記錄的準確性和可靠性，同時，也便于溫度數據的記錄和調用。 步驟3、測量循環介質水熱交換過程中各分層土壤的溫度。 各分層土壤的初始溫度測量完畢后，可通過注水口向介質容器2內注滿循環介質 水，并通過控制中心10開啟循環水泵7，同時利用平衡閥調節環路內水的流量，待環路內水 循環穩定后開啟加熱裝置，并以調節好的恒定的加熱功率加熱循環介質水。然后，以一定的 時間間隔檢測和記錄傳感器組3內各溫度傳感器檢測得到的溫度數據，同時，在進行溫度 測量時，以相同的時間間隔內檢測和記錄流量傳感器4檢測得到的循環介質水在環路內的 流量，待測量裝置循環運行2 3天，數據測量控制裝置檢測得到的溫度數據趨于穩定時， 關閉循環水泵和加熱裝置。 步驟4、測量土壤溫度恢復過程中各分層土壤的溫度。 當步驟3測量完畢，關閉循環水泵和加熱裝置后，以一定的時間間隔繼續檢測和 記錄土壤恢復到初始溫度過程中的溫度，直到土壤恢復到初始溫度為止，土壤溫度恢復過 程一般為3天。 可以看出，本實用新型實施例土壤熱物性參數測量裝置可通過以上步驟獲得各種 狀態下分層土壤的溫度，根據測量得到的各種狀態下的溫度數據，以及測量得到的流量數 據和加熱循環介質水時的加熱功率，即可通過在柱熱源傳熱模型中計算得到各分層土壤的 熱物性參數，根據獲得的各分層土壤的熱物性參數即可對土壤源熱泵進行設計，以滿足實 際的設計需要。 本實用新型實施例土壤熱物性參數測量裝置通過設置的包括多個溫度傳感器的 傳感器組，可有效地測量各分層土壤的初始溫度、循環介質水進行熱交換過程中各分層土 壤的溫度，根據測量得到的各分層土壤的溫度數據，可精確地計算得到各分層土壤的熱物 性參數，提高土壤熱物性參數測量的準確性和可靠性，以便為土壤源熱泵的設計提供可靠 地數據，提高土壤源熱泵設計的準確性。 最后應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其進行限 制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理 解其依然可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替 換亦不能使修改后的技術方案脫離本實用新型技術方案的精神和范圍。
權利要求一種土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，包括介質循環管路和與所述介質循環管路連接的用于提供循環介質的介質容器，其中，所述介質容器內設置有用于加熱循環介質的加熱裝置；所述介質循環管路和介質容器之間設置有用于提供循環動力的循環水泵，所述介質循環管路的進口和出口與設置在待測量土壤中的預設介質管道連接，使得所述循環管路和所述預設介質管道形成環路；所述預設介質管道的內壁或外壁上設置有用于測量分層土壤溫度的溫度傳感器組，所述溫度傳感器組包括至少兩個溫度傳感器，且各溫度傳感器按預設距離設置；所述介質循環管路上還設置有用于測量介質流量的流量傳感器；所述傳感器組和流量傳感器分別與數據測量控制裝置連接。
2. 根據權利要求1所述的土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，所述介質循環管路 和介質容器之間還設置有用于調節循環介質流量的平衡閥。
3. 根據權利要求1所述的土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，所述加熱裝置為電 加熱器，設置在所述介質容器內。
4. 根據權利要求1所述的土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，還包括用于控制所 述循環水泵、數據測量控制裝置和加熱裝置運行的控制中心。
5. 根據權利要求1所述的土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，所述介質容器包括 用于注入循環介質的注水口 、與所述循環水泵連接的第一連接口和與所述介質循環管路連 接的第二連接口。
6 . 根據權利要求1所述的土壤熱物性參數測量裝置，其特征在于，溫度傳感器的數量 為50-100個，且間隔均勻垂直設置在所述預設介質管道的內壁或外壁上。
專利摘要本實用新型涉及一種土壤熱物性參數測量裝置。該裝置包括介質循環管路和介質容器，介質容器內設置有加熱裝置；介質循環管路和介質容器之間設置有循環水泵，介質循環管路的進口和出口與設置在待測量土壤中的預設介質管道連接；預設介質管道的內壁或外壁上設置有用于測量分層土壤溫度溫度傳感器組，溫度傳感器組包括至少兩個溫度傳感器，且各溫度傳感器按預設距離設置；介質循環管路上還設置有流量傳感器；傳感器組和流量傳感器分別與數據測量控制裝置連接。本實用新型技術方案可精確地測量地下各分層土壤的溫度，根據測量的各分層土壤的溫度，可精確可靠地獲得各分層土壤的熱物性參數，為土壤源熱泵設計提供依據。
文檔編號G01N25/20GK201508338SQ20092024666
公開日2010年6月16日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者呂曉辰, 朱清宇, 沈亮, 肖龍, 錢程 申請人:中國建筑科學研究院