專利名稱：土壤熱物性參數(shù)測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤熱物性參數(shù)測量技術(shù)，特別是涉及一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高，越來越多的建筑采用土壤源熱泵技術(shù)來供熱供冷，其中，土壤源熱泵是利用土壤一年四季溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)，冬季時將土壤能作為熱泵供暖的熱源，將高于環(huán)境溫度的土壤中的熱能取出供室內(nèi)采暖，夏季時將土壤能作為空調(diào)的冷源，將室內(nèi)的熱能取出釋放到低于環(huán)境溫度的土壤中，并在土壤中進(jìn)行熱交換，將冷氣提供給室內(nèi)。由于土壤源熱泵在運(yùn)行中不排放污染，能源消耗低，因此，利用土壤源熱泵進(jìn)行供熱供冷具有較高的節(jié)能和環(huán)保效果。土壤源熱泵系統(tǒng)的換熱器是用來連接建筑和土壤，并在兩者之間進(jìn)行熱交換的重要裝置，而垂直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(shè)計主要取決于建筑的冷熱負(fù)荷，以及土壤的初始溫度、土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等土壤熱物性參數(shù)，因此，在進(jìn)行U型換熱管設(shè)計和埋設(shè)時需要測量U型管埋設(shè)地的土壤的熱物性參數(shù)，以便為U型管的埋設(shè)和土壤源熱泵系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)。其中，要想獲得土壤的熱物性參數(shù)，需要測量土壤的初始溫度，以及土壤在熱交換過程中的溫度變換，從而可以這些參數(shù)計算得到土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等，因此，目前，通常采用土壤熱物性參數(shù)測量儀器來來測量相關(guān)的參數(shù)后，在柱熱源傳熱模型中通過一定的計算后獲得土壤的熱物性參數(shù)。目前，土壤熱物性參數(shù)測量儀器通常采用水循環(huán)系統(tǒng)，來為土壤熱交換提供所需的熱量，即通過具有加熱裝置的水循環(huán)系統(tǒng)為埋設(shè)在土壤中的U型管提供加熱過的介質(zhì)，以便利用加熱的循環(huán)水為土壤提供換熱所需的熱量，以測量土壤換熱過程中的溫度變化。具體地，現(xiàn)有土壤熱物性參數(shù)測量裝置通常包括循環(huán)管路、絕熱的介質(zhì)容器、介質(zhì)溫度檢測記錄系統(tǒng)、定功率加熱系統(tǒng)和管路介質(zhì)循環(huán)流量檢測記錄系統(tǒng)，其中，測試儀開始工作前，將循環(huán)管路進(jìn)出口分別與設(shè)置的U型換熱器的進(jìn)出口連接，形成循環(huán)介質(zhì)環(huán)路；定功率加熱系統(tǒng)包括加熱器，用于對管路循環(huán)介質(zhì)以恒定的功率進(jìn)行加熱；介質(zhì)溫度檢測記錄系統(tǒng)包括兩個熱電阻或電偶溫度傳感器，分別設(shè)置在循環(huán)管路與U型換熱器的進(jìn)口和出口連接處，用于測量進(jìn)入和流出U型換熱器進(jìn)口和出口的介質(zhì)的溫度；管路介質(zhì)循環(huán)流量檢測記錄系統(tǒng)包括流量傳感器，用于檢測和記錄介質(zhì)流量的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行測量時，首先在不開啟加熱器或冷卻器時開啟循環(huán)泵，在循環(huán)管路內(nèi)使介質(zhì)循環(huán)至穩(wěn)定溫度時，通過溫度傳感器獲得土壤的初始溫度；初始溫度測量后，利用定功率加熱器或冷卻器加熱介質(zhì)并在管路中循環(huán)，并間隔一定時間記錄相應(yīng)時間點(diǎn)時U型換熱器進(jìn)口和出口的介質(zhì)循環(huán)運(yùn)行時的溫度，以及同一時間點(diǎn)環(huán)路中的介質(zhì)流量；最后，根據(jù)測量得到的土壤的初始溫度、介質(zhì)循環(huán)運(yùn)行時的溫度以及流量，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(shù)。此外，為提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，現(xiàn)有技術(shù)也提出了測試土壤分層溫度的測量裝置，即在上述技術(shù)基礎(chǔ)上，在U型管內(nèi)間隔設(shè)置多個溫度傳感器，以測試土壤在不同深度的分層溫度，得到土壤的分層分布的熱物性參數(shù)。但是，現(xiàn)有采用水循環(huán)系統(tǒng)為土壤換熱過程提供熱量的技術(shù)中，需要單獨(dú)設(shè)置介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及相應(yīng)的加熱裝置，導(dǎo)致土壤加熱效率低，且土壤熱物性參數(shù)測試時，通常在建筑施工之前進(jìn)行，現(xiàn)場測試條件差，而介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的體積和自重又較大，介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的安裝比較困難，導(dǎo)致土壤熱物性參數(shù)測量困難，影響測量效率；此外，采用介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)向U型管提供加熱的循環(huán)水過程中，極易造成熱量損耗，電加熱裝置施加的熱量不能完全與土壤進(jìn)行換熱，導(dǎo)致熱物性參數(shù)測量結(jié)果準(zhǔn)確性較差；另外，現(xiàn)有技術(shù)溫度測試過程中，通常采用熱電阻或熱電偶傳感器，該類溫度傳感器工作不穩(wěn)定，每次測量時均需要進(jìn)行標(biāo)定，影響測量進(jìn)度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置及測量方法，可利用電加熱電纜對土壤進(jìn)行加熱，并利用光纖溫度傳感器來測量土壤溫度，可有效提高加熱的便利性，減少熱源浪費(fèi)，提高測量效率和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 本發(fā)明提供一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，包括電加熱電纜，設(shè)置在U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，所述U型管埋設(shè)在土壤中，所述電加熱電纜用于向所述土壤提供熱量；溫度傳感器組，設(shè)置在所述U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，包括按照不同深度間隔設(shè)置的多個光纖溫度傳感器；數(shù)據(jù)采集控制器，與所述溫度傳感器組中的各光纖溫度傳感器連接，用于采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度。本發(fā)明另提供一種利用上述本發(fā)明提供的裝置的土壤熱物性參數(shù)測量方法，包括通過數(shù)據(jù)采集控制器，讀取溫度傳感器組中各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤初始溫度；利用電加熱電纜以恒定功率加熱U型管周圍的土壤，并以預(yù)設(shè)時間間隔，采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度；在各光纖溫度傳感器采集的土壤溫度穩(wěn)定時，停止所述電加熱電纜的加熱，并以預(yù)設(shè)時間間隔采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度。本發(fā)明提供了一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置及測量方法，通過設(shè)置電加熱電纜為土壤熱交換提供所需的熱量，相對于傳統(tǒng)采用水循環(huán)系統(tǒng)以循環(huán)水提供熱量的方式而言，可有效提高加熱效率，減少熱量損耗，提高熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，同時可具有較小的體積和低廉的成本；此外，本發(fā)明技術(shù)方案采用光纖溫度傳感器來作為測量溫度的傳感器，并可檢測不同深度位置的土壤溫度，使得溫度的檢測更加準(zhǔn)確，同時可基于不同深度位置測量得到的土壤溫度，得到不同深度位置土壤的熱物性參數(shù)，使得檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。
圖I為本發(fā)明實施例提供的土壤熱物性參數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的土壤熱物性參數(shù)測量方法的流程示意圖。
具體實施例方式圖I為本發(fā)明實施例提供的土壤熱物性參數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，本發(fā)明實施例測量裝置包括電加熱電纜I、溫度傳感器組2和數(shù)據(jù)采集控制裝置3，其中，電加熱電纜I設(shè)置在U型管4的內(nèi)部，用于以恒定加熱功率對埋設(shè)U型管4的周圍的土壤提供熱量；溫度傳感器組2包括多個光纖溫度傳感器，按照不同深度間隔設(shè)置在U型管4的內(nèi)部，用于測量不同深度位置的土壤溫度；數(shù)據(jù)采集控制裝置3與溫度傳感器組2中的各光纖溫度傳感器連接，用于控制各光纖溫度傳感器工作，并實時采集各光纖溫度傳感器測得的不同深度位置的土壤溫度，也即土壤的分層溫度。本實施例可利用電加熱電纜I為U型管4埋設(shè)處的土壤提供熱量，并可通過溫度傳感器組2中光纖溫度傳感器測量不同深度位置、不同時刻的土壤溫度，從而可根據(jù)測量得到的不同深度位置、不同時刻的土壤溫度，計算得到不同深度位置土壤的熱物性參數(shù)，以為U型管換熱器的設(shè)計、安裝以及土壤源熱泵的設(shè)計提供依據(jù)。本實施例中，U型管內(nèi)可通入介質(zhì)，通常為水，以便于電加熱電纜I以恒定加熱功 率提供熱量時，可通過介質(zhì)將熱量均勻地施加在U型管4周圍的土壤，提高加熱效果。實際應(yīng)用中，在對土壤進(jìn)行加熱時，也可在U型管4不充入任何介質(zhì)，而是直接利用電加熱電纜I為土壤加熱，對此本實施例并不做特別限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在利用電加熱電纜I對土壤加熱過程中，土壤的溫度是逐漸升高至穩(wěn)定值，在此過程中，可通過溫度傳感器組2中各光纖溫度傳感器來檢測土壤由初始溫度逐漸到最高溫度時間段內(nèi)，不同時刻、不同深度位置的土壤的溫度，也即土壤的溫度變化情況，以便利用這些溫度計算得到不同深度位置土壤的熱物性參數(shù)，例如導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容系數(shù)等。其具體計算過程與傳統(tǒng)熱物性參數(shù)測量過程相同或類似，在此不再贅述。本實施例中，溫度傳感器組3中設(shè)置的光纖溫度傳感器的個數(shù)可以為多個，例如可為50-100個，實際應(yīng)用中也可根據(jù)土壤的深度，以及所在的地理位置，設(shè)置合適數(shù)量的光纖溫度傳感器，并沿豎直方向，按預(yù)設(shè)距離以均勻間隔設(shè)置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，每個溫度傳感器的設(shè)置的位置即可表示相應(yīng)的分層土壤，通過各位置的溫度傳感器，即可確定出相應(yīng)位置土壤所處的分層土壤在各條件下的溫度，基于各分層土壤測量得到的溫度，就可以確定各分層土壤的熱物性參數(shù)。本實施例中，電加熱電纜I可選用現(xiàn)有市場上常見型號及功率的電纜，實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇合適加熱功率的加熱電纜，電纜的選擇非常方便，且具有較好的加熱功率，可有效為土壤換熱提供所需的熱量；同時，由于電纜深入U型管內(nèi)部進(jìn)行加熱，熱量損耗小，可有效提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性。相對于傳統(tǒng)采用循環(huán)水提供熱量的方式，可具有較小的體積，且成本低，同時也便于安裝，可有效提高加熱效率，降低整個土壤熱物性參數(shù)測量的效率以及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本實施例中，采用光纖溫度傳感器作為測量土壤溫度的傳感器，光纖傳感器的尺寸小，便于構(gòu)造傳感器束從而實現(xiàn)對土壤不同深度位置的溫度檢測，且光纖溫度傳感器原理是采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在兩根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)生變化，所以輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系；其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘?，如振幅、相位、偏振態(tài)、波長和模式等，對外界環(huán)境因素，如溫度，壓力，福射等具有敏感特性，屬于非接觸式測溫，使得光纖溫度傳感器具有良好的穩(wěn)定性，安裝使用后無需再做標(biāo)定。本實施例中采用光纖溫度傳感器，可具有較高的溫度測量精度，以及不需要進(jìn)行標(biāo)定的特點(diǎn)，可有效提高溫度測量的效率，以及測量的準(zhǔn)確性和可靠性。本實施例中，如圖I所示，電加熱電纜I和溫度傳感器組2分別位于U型管4的兩側(cè)的管道內(nèi)，這樣，可避免溫度傳感器組2中各光纖溫度傳感器測量的結(jié)果受電加熱電纜I的影響。實際應(yīng)用中，電加熱電纜I和溫度傳感器2也可位于U型管同一側(cè)的管道內(nèi)，只要溫度傳感器組中的各光纖溫度傳感器的設(shè)置位置與電加熱電纜位于不同的位置；實際應(yīng)用中，電加熱電纜I和溫度傳感器組2也可分別位于U型管同一側(cè)管道的內(nèi)外側(cè)壁上。本實施例中，如圖I所示，還可包括有電源5，用于為電加熱電纜I以及數(shù)據(jù)采集控制器3提供電源，以確保二者可穩(wěn)定工作。其中，數(shù)據(jù)采集控制器3可以是微控制器或者計算機(jī)設(shè)備等。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，對土壤測量前，需要預(yù)先將U型管埋入待測試的土壤中，其中，待U型管埋設(shè)完全后，即可進(jìn)行測試，此時，可將溫度傳感器組以及電加熱電纜放入U型管內(nèi)部，進(jìn)行加熱以及溫度的測量。本發(fā)明實施例提供的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，通過設(shè)置電加熱電纜為土壤熱交換提供所需的熱量，相對于傳統(tǒng)采用水循環(huán)系統(tǒng)以循環(huán)水提供熱量的方式而言，可有效提高加熱效率，減少熱量損耗，提高熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，同時可具有較小的體積和低廉的成本；此外，本發(fā)明實施例技術(shù)方案采用光纖溫度傳感器來作為測量溫度的傳感器，并可檢測不同深度位置的土壤溫度，使得溫度的檢測更加準(zhǔn)確，同時可基于不同深度位置測量得到的土壤溫度，得到不同深度位置土壤的熱物性參數(shù)，使得檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。上述本發(fā)明實施例中，電加熱電纜除了可以設(shè)置在U型管的內(nèi)部外，也可設(shè)置在U型管的外壁，并隨U型管一起埋設(shè)在土壤中；類似的，溫度傳感器組也可設(shè)置在U型管的外壁，并隨U型管一起埋設(shè)在土壤中。實際應(yīng)用中，電加熱電纜與溫度傳感器可分別位于U型管的內(nèi)部和外壁，以避免二者直接接觸。圖2為本發(fā)明實施例提供的土壤熱物性參數(shù)測量方法的流程示意圖。本實施例可采用上述圖I所示裝置對土壤熱物性參數(shù)進(jìn)行測量，具體地，如圖2所示，本實施例測量方法可包括如下步驟步驟101、通過數(shù)據(jù)采集控制器，讀取溫度傳感器組中各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤初始溫度；步驟102、利用電加熱電纜以恒定功率加熱U型管周圍的土壤，并以預(yù)設(shè)時間間隔，采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度；步驟103、在各光纖溫度傳感器采集的土壤溫度穩(wěn)定時，停止電加熱電纜的加熱，并以預(yù)設(shè)時間間隔采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度。在執(zhí)行上述步驟101前，可將U型管埋設(shè)在待測試的土壤的孔洞內(nèi)，然后將孔洞回填密實；然后，將電加熱電纜以及溫度傳感器組分別放入U型管兩側(cè)的管道；等待2-3天，待地下土壤恢復(fù)到初始狀態(tài)后，即可執(zhí)行步驟101，以通過采集溫度傳感器組的各光纖溫度傳感器測量得到的土壤在不同深度位置的初始溫度。
在執(zhí)行上述步驟102時，可將電加熱電纜以恒定功率加熱，并可持續(xù)加熱時間在2-3天，至道土壤的溫度趨于穩(wěn)定時，說明土壤已經(jīng)熱交換完成，則可停止加熱。且在加熱過程中，可按預(yù)設(shè)時間間隔采集各溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度，在此過程中，測量得到的不同時刻的土壤的溫度，實際上就是反應(yīng)土壤換熱過程的溫度變化情況。上述步驟103是按照時間間隔測量得到的土壤由換熱后的溫度恢復(fù)到初始溫度過程中的溫度變化情況，該溫度變化情況也可以反映出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容。本實施例中，當(dāng)獲取不同深度處土壤的初始溫度、換熱過程中土壤的溫度變化情況以及換熱恢復(fù)過程中土壤溫度變換情況后，即可根據(jù)這些測量得到的溫度，通過柱熱源傳熱模型，通過迭代計算出土壤在不同深度的熱物性參數(shù)，其具體計算過程與傳統(tǒng)計算方法相同或類似，在此不再贅述。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)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(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.ー種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，包括 電加熱電纜，設(shè)置在U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，所述U型管埋設(shè)在土壌中，所述電加熱電纜用于向所述土壤提供熱量； 溫度傳感器組，設(shè)置在所述U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，包括按照不同深度間隔設(shè)置的多個光纖溫度傳感器； 數(shù)據(jù)采集控制器，與所述溫度傳感器組中的各光纖溫度傳感器連接，用于采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壌溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述U型管內(nèi)充有介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述光纖溫度傳感器的數(shù)量為50-100個，且沿豎直方向均勻間隔設(shè)置在所述U型管的內(nèi)壁或外壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述電加熱電纜和溫度傳感器組位于所述U型管的不同側(cè)。
5.ー種利用權(quán)利要求1-4任一裝置的土壤熱物性參數(shù)測量方法，其特征在于，包括 通過數(shù)據(jù)采集控制器，讀取溫度傳感器組中各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤初始溫度； 利用電加熱電纜以恒定功率加熱U型管周圍的土壌，并以預(yù)設(shè)時間間隔，采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壌溫度； 在各光纖溫度傳感器采集的土壌溫度穩(wěn)定時，停止所述電加熱電纜的加熱，并以預(yù)設(shè)時間間隔采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壌溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置及測量方法。該裝置包括電加熱電纜，設(shè)置在U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，所述U型管埋設(shè)在土壤中，所述電加熱電纜用于向所述土壤提供熱量；溫度傳感器組，設(shè)置在所述U型管的內(nèi)部或U型管的外壁上，包括按照不同深度間隔設(shè)置的多個光纖溫度傳感器；數(shù)據(jù)采集控制器，與所述溫度傳感器組中的各光纖溫度傳感器連接，用于采集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度。本發(fā)明技術(shù)方案可有效提供土壤換熱過程中所需的熱量，提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，測量效率高。
文檔編號G01N25/20GK102854214SQ20121032026
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者朱清宇, 徐偉, 肖龍, 沈亮, 楊靈艷, 錢程, 呂曉辰 申請人:中國建筑科學(xué)研究院