專利名稱：土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于現(xiàn)場直接測定土壤導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，并進(jìn)一步包括一種基于該裝 置的測試方法。
技術(shù)背景地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何根據(jù)建筑物的冷、熱負(fù)荷設(shè)計埋地?fù)Q 熱器，而要準(zhǔn)確設(shè)計埋地?fù)Q熱器就需要知道建筑物當(dāng)?shù)氐叵峦寥赖膶嶋H的導(dǎo)熱系數(shù)。如果 土壤導(dǎo)熱系數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計的系統(tǒng)可能不能滿足負(fù)荷要求，也可能規(guī)模過大，增加初投 資。確定地下土壤導(dǎo)熱系數(shù)的傳統(tǒng)方法有兩種 一種方法是根據(jù)鉆孔時取出的土壤樣本確 定埋管周圍的地質(zhì)構(gòu)成，然后根據(jù)相關(guān)手冊查取土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。然而地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成 復(fù)雜，難以得到整個埋孔深度方向地質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確的詳細(xì)資料，即使同一種土壤成分，其 導(dǎo)熱系數(shù)取值范圍也較大，如石英沙導(dǎo)熱系數(shù)為3. l 7.8W/m°C;另一種方法是通過探針 法在實驗室或現(xiàn)場測試土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，但用探針對取出的土壤在實驗室進(jìn)行測試，由于 水分散失、擠壓等原因，其土壤結(jié)構(gòu)已與在地下時發(fā)生了較大變化，使測試結(jié)果與實際參 數(shù)有誤差，用探針在現(xiàn)場測試由于探針長度的限制，目前國內(nèi)只能測試淺層(小于l米) 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。實際工程中，由于埋管的埋深很深(40—100米)，而且埋管的布置方式、 回填材料的種類等等都對埋地?fù)Q熱器的傳熱性能有影響。因此，只有在現(xiàn)場直接測試才能 準(zhǔn)確得到土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。而目前國內(nèi)還缺乏現(xiàn)成的測定裝置和測試方法。所以，本發(fā)明針對上述問題提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、可方便準(zhǔn)確地用于現(xiàn)場直接測定土壤 導(dǎo)熱系數(shù)的裝置及其測試方法，本測試裝置可以測試地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)向土壤排熱或取熱 兩種模式下的土壤導(dǎo)熱系數(shù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置及其方法并且可以測 試地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)向土壤排熱或取熱兩種模式下的土壤導(dǎo)熱系數(shù)。 技術(shù)方案本發(fā)明提供了一種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置，其特征在于包括一臺小型熱泵機(jī)組、一 只保溫水箱、2臺循環(huán)泵、2個流量傳感器、4個溫度傳感器、及一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保溫 水箱的一端的循環(huán)管道和小型熱泵機(jī)組相連，另一端的循環(huán)管道A端、B端與現(xiàn)場埋地?fù)Q 熱管連接，4條管道上都裝有1個溫度傳感器，兩端的4條循環(huán)管道中各有一條分別安裝 1臺循環(huán)泵和1個流量傳感器，所述的6個傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。一臺小型熱泵機(jī)組，其目的是提供測試裝置的冷、熱源，以測試向土壤排熱或取熱兩種模式下的土壤導(dǎo)熱系數(shù)，冷源用于測試向土壤取熱(即模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季運(yùn)行工況)時的導(dǎo)熱系數(shù)，熱源用于測試向土壤排熱(即模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行工況)時的導(dǎo)熱系數(shù)；保溫水箱，用于儲存熱泵機(jī)組提供的冷(熱)源，并向地下埋管系統(tǒng)提供一定量、 一定溫度的循環(huán)流體，并在初始時用于向地下埋管內(nèi)充注循環(huán)流體，及起排氣作用；2臺循環(huán)泵，用于向系統(tǒng)提供一定壓頭、 一定流量的循環(huán)流體，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流體的流量可以通過變頻或旁通管路任意調(diào)節(jié)，以測試不同流速條件下土壤的傳熱性能；2個流量傳感器，用于測定系統(tǒng)的循環(huán)流量；4個溫度傳感器，用于測定環(huán)路內(nèi)循環(huán)流體的溫度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集、儲存、分析測試數(shù)據(jù)。本發(fā)明的另一方面，提供一種基于土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置的測試方法。這種方法包括首先在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)管道并按設(shè)計要求回填，環(huán)路中充滿水，封住端口，靜置一星期。然后，連接測定裝置的A端、B端與現(xiàn)場埋管的進(jìn)口、出口，循環(huán)流體由保溫水箱進(jìn)入且進(jìn)一步補(bǔ)滿管道，管道中的氣體由保溫水箱排出，再依次開啟循環(huán)泵、熱泵機(jī)組，使熱泵機(jī)組制取的冷(熱)流體，通過保溫水箱、循環(huán)泵輸入到埋地?fù)Q熱管內(nèi)，埋地?fù)Q熱管內(nèi)的流體與土壤進(jìn)行熱交換后，又返回到保溫水箱，再通過另一臺循環(huán)泵輸送到熱泵機(jī)組，形成封閉循環(huán)。自開始測試起，保持熱泵機(jī)組的功率不變，直至埋地?fù)Q熱管進(jìn)口、出口溫度基本恒定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄流體流量、進(jìn)出口溫度、及測試時間，然后，利用一維模型，計算得到土壤的平均導(dǎo)熱系數(shù)。土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)的計算式為幾—《Ins—In^ —《 4;r 7}2 -T^ 4;rA:式中義一一 土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)，W/m。C;g — —單位埋孔深度換熱管的換熱能力，W/m;K 一一以時間對數(shù)為橫坐標(biāo)時，管內(nèi)流體平均溫度r/變化曲線的斜率；<formula>formula see original document page 4</formula>
m —一埋管內(nèi)流體質(zhì)量流量，kg/s;L — 一埋孔深度，m;cp—一 土壤的定壓比熱，LA/(A:g.A:);r 一一測試時間，s;Tin, T。ut ""—埋管內(nèi)流體進(jìn)口溫度、出口溫度和平均溫度(這幾個字刪除)，°C; Tf一_埋管內(nèi)流體進(jìn)出口平均溫度，°C;T ,Tf2 —一 、、 T2時刻對應(yīng)的埋管內(nèi)流體進(jìn)出口平均溫度，°C。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點為測定裝置結(jié)構(gòu)緊湊、現(xiàn)場測定穩(wěn)定、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可測試向土壤排熱或取熱兩種模式下的土壤導(dǎo)熱系數(shù)，有利于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)研究、有利于對 全國不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下合理地設(shè)計地下埋管系統(tǒng)，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng) 用、為充分發(fā)揮地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)越性起了很好的推動作用。因此，土壤導(dǎo)熱系數(shù)測 定裝置的應(yīng)用前景很好。


圖l 本發(fā)明的測定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 埋管進(jìn)出口平均水溫隨時間變化圖；圖3 埋管進(jìn)出口平均水溫在時間對數(shù)坐標(biāo)上的表示圖。1 一一小型熱泵機(jī)組2 --—保溫水箱3 —--循環(huán)水泵4 -一-流量傳感器5 —--溫度傳感器6 —--數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限 定的范圍。
實施例1如圖l所示，首先將測定裝置的A端、B端與現(xiàn)場埋地?fù)Q熱管連接，保溫水箱2充滿 循環(huán)流體，并充滿地下埋管，排除管內(nèi)氣體，然后，依次開啟兩臺循環(huán)泵3及熱泵機(jī)組1， 熱泵機(jī)組1通過循環(huán)泵3連續(xù)不斷地向保溫水箱提供冷源或熱源，保溫水箱里的流體通過 另一臺循環(huán)泵3輸送到埋地?fù)Q熱管，埋地?fù)Q熱管內(nèi)的流體與土壤進(jìn)行熱交換后，又返回到 保溫水箱，兩個環(huán)路的流體在保溫水箱里混合，兩個環(huán)路的流體流量可以通過變頻泵或旁 通管路獨立控制，可以通過流量傳感器4測試循環(huán)流體的流量，通過溫度傳感器5測試進(jìn) 口、出口的流體溫度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6自動記錄流體流量、進(jìn)出口溫度、及測試時間，然 后，利用一維傳熱模型，計算得到土壤的平均導(dǎo)熱系數(shù)。土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)的計算式為-4;r r/2 - r" 47T&鉆孔內(nèi)布置垂直U型管，管外徑32mm，內(nèi)徑25mm，管內(nèi)循環(huán)水流速為0. 8m/s，開始 測試時，前15h埋管進(jìn)出口的溫度變化較大，連續(xù)運(yùn)行20小時后，溫度的變化率逐漸變 小，趨于穩(wěn)定，48小時左右U型管進(jìn)出口溫差基本保持在3.92'C左右，根據(jù)熱泵機(jī)組側(cè) 的流體流量和溫差，可計算得到單位時間內(nèi)向埋孔傳遞的熱量為6.4kW，即每米埋孔深度 的傳熱率為106W/m。圖2表示埋管進(jìn)出口平均水溫隨時間的變化，圖3為埋管進(jìn)出口平均 水溫在時間對數(shù)坐標(biāo)上的表示，由圖可知，埋管進(jìn)出口平均水溫擬合直線的斜率b3.62， 把k與q代入土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)的計算式，得到土壤平均導(dǎo)熱系數(shù);1=2.33 W/(mK)。
權(quán)利要求
1.一種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置，其特征在于包括一臺小型熱泵機(jī)組(1)、一只保溫水箱(2)、2臺循環(huán)泵(3)、2個流量傳感器(4)、4個溫度傳感器(5)、及一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(6)，保溫水箱(2)的一端的循環(huán)管道和小型熱泵機(jī)組(1)相連，另一端的循環(huán)管道A端、B端與現(xiàn)場埋地?fù)Q熱管連接，4條管道上都裝有1個溫度傳感器(5)，兩端的4條循環(huán)管道中各有一條分別安裝1臺循環(huán)泵(3)和1個流量傳感器(4)，所述的6個傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(6)相連。
2. —種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定的方法，其特征在于包括以下步驟1) 在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)管道并按設(shè)計要求回填，環(huán)路中充滿水，封住端口，靜 置一星期；2) 連接測定裝置的A端、B端與現(xiàn)場埋管的進(jìn)口、出口，循環(huán)流體由保溫水箱進(jìn) 入且進(jìn)一步補(bǔ)滿管道，管道中的氣體由保溫水箱排出；3) 依次開啟循環(huán)泵、熱泵機(jī)組，使熱泵機(jī)組制取的冷(熱)流體，通過保溫水箱、循環(huán)泵輸入到埋地?fù)Q熱管內(nèi)，埋地?fù)Q熱管內(nèi)的流體與土壤進(jìn)行熱交換后，又返回到保溫水箱，再通過另一臺循環(huán)泵輸送到熱泵機(jī)組，形成封閉循環(huán)；4) 自開始測試起，保持熱泵機(jī)組的功率不變，直至埋地?fù)Q熱管進(jìn)口、出口溫度基 本恒定；5) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄流體流量、進(jìn)出口溫度、及測試時間，然后，利用一維 模型，計算得到土壤的平均導(dǎo)熱系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置及其方法，裝置包括一臺小型熱泵機(jī)組(1)、一只保溫水箱(2)、2臺循環(huán)泵(3)、2個流量傳感器(4)、4個溫度傳感器(5)、及一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(6)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、現(xiàn)場測定穩(wěn)定、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可測試向土壤排熱或取熱兩種模式下的土壤導(dǎo)熱系數(shù)，有利于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)研究、有利于對全國不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下合理地設(shè)計地下埋管系統(tǒng)，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用、為充分發(fā)揮地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)越性起了很好的推動作用。因此，土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置的應(yīng)用前景很好。
文檔編號G01N25/18GK101105467SQ20071004465
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者周亞素 申請人:東華大學(xué)