專利名稱：土壤熱物性參數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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。
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，即把高于環(huán)境溫度的土壤能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，即把室內(nèi)的熱能取出釋放到低于環(huán)境溫度的土壤中，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，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、土壤的初始溫度以及土壤的導(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)時需要獲得土壤的熱物性參數(shù)，以便為土壤源熱泵系統(tǒng) 提供設(shè)計依據(jù)，目前，土壤的熱物性參數(shù)一般是通過土壤熱物性測試儀來測量相關(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。 現(xiàn)有技術(shù)的土壤熱物性測試儀通常包括循環(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數(shù)據(jù)；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 溫度數(shù)據(jù)，以及同一時間點(diǎn)環(huán)路中的介質(zhì)流量數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)測量得到的土壤的初始溫度 數(shù)據(jù)、介質(zhì)循環(huán)運(yùn)行時的溫度數(shù)據(jù)以及流量數(shù)據(jù)，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)。 綜上，現(xiàn)有技術(shù)土壤熱物性測試儀測量時，只能測量得到U型管進(jìn)口和出口處介 質(zhì)的溫度，并且忽略了水泵自身發(fā)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(xiàn)有技術(shù)測試儀是將整個地下土壤作為整體進(jìn)行測量，而實(shí)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(jù)測量得到的溫度數(shù)據(jù)計算出的 土壤的熱物性參數(shù)只是土壤的平均值，其并不能準(zhǔn)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(shù)不精確，測量結(jié)果不可靠。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，可有效測量地下各分層
土壤的溫度，根據(jù)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(shù)可有效反饋
土壤的真實(shí)分布狀況，從而可有效提高土壤的熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了 一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，包括介質(zhì)循
環(huán)管路和與所述介質(zhì)循環(huán)管路連接的用于提供循環(huán)介質(zhì)的介質(zhì)容器，其中，所述介質(zhì)容器
內(nèi)設(shè)置有用于加熱循環(huán)介質(zhì)的加熱裝置；所述介質(zhì)循環(huán)管路和介質(zhì)容器之間設(shè)置有用于提
供循環(huán)動力的循環(huán)水泵，所述介質(zhì)循環(huán)管路的進(jìn)口和出口與設(shè)置在待測量土壤中的預(yù)設(shè)介
質(zhì)管道連接，使得所述循環(huán)管路和所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道形成環(huán)路； 所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或外壁上設(shè)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(yù)設(shè)距離設(shè)置；所述介 質(zhì)循環(huán)管路上還設(shè)置有用于測量介質(zhì)流量的流量傳感器；所述傳感器組和流量傳感器分別 與數(shù)據(jù)測量控制裝置連接。 其中，所述介質(zhì)循環(huán)管路和介質(zhì)容器之間還設(shè)置有用于調(diào)節(jié)循環(huán)介質(zhì)流量的平衡 閥。所述加熱裝置為電加熱器，設(shè)置在所述介質(zhì)容器內(nèi)。所述介質(zhì)容器包括用于注入循環(huán) 介質(zhì)的注水口 、與所述循環(huán)水泵連接的第一連接口和與所述介質(zhì)循環(huán)管路連接的第二連接 口。溫度傳感器的數(shù)量可為50-100個，且間隔均勻垂直設(shè)置在所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或 外壁上。 此外，所述土壤熱物性參數(shù)測量裝置還可包括用于控制所述循環(huán)水泵、數(shù)據(jù)測量 控制裝置和加熱裝置運(yùn)行的控制中心。 本實(shí)用新型提供了一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，通過設(shè)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(huán)介質(zhì)水進(jìn)行熱交換過程中各分 層土壤的溫度，根據(jù)測量得到的各分層土壤的溫度數(shù)據(jù)，可精確地計算得到各分層土壤的 熱物性參數(shù)，提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性，以便為土壤源熱泵的設(shè)計提供 可靠地數(shù)據(jù)，提高土壤源熱泵設(shè)計的準(zhǔn)確性。

圖1為本實(shí)用新型土壤熱物性參數(shù)測量裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)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(zhì)的垂直分布，因此，針對現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行土壤的熱物性參數(shù)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(shí)用新型實(shí)施例提供了一種土壤熱物性參
數(shù)測量裝置，根據(jù)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(jù)各分層土壤的分層溫度，計算出各分層土壤的熱物性參數(shù)，獲得的土壤的熱物性參
數(shù)精確、可靠，可有效反饋出土壤的實(shí)際分布情況，提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，以
為土壤源熱泵的設(shè)計提供依據(jù)。[0015] 圖1為本實(shí)用新型土壤熱物性參數(shù)測量裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。具體地，如圖 1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例裝置包括介質(zhì)循環(huán)管路1、介質(zhì)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(shù)據(jù)測量控制裝置5，其中，介質(zhì)容器2可存儲用于為介質(zhì) 循環(huán)管路1提供循環(huán)介質(zhì)的水，其與介質(zhì)循環(huán)管路1連接，同時，介質(zhì)容器2內(nèi)還設(shè)置有用 于加熱循環(huán)介質(zhì)水的加熱裝置6 ;介質(zhì)循環(huán)管路1和介質(zhì)容器2之間設(shè)置有循環(huán)水泵7，提 供循環(huán)介質(zhì)水的循環(huán)動力；介質(zhì)循環(huán)管路l的進(jìn)口和出口分別與設(shè)置在待測量土壤中的預(yù) 設(shè)介質(zhì)管道8連接，以使該介質(zhì)循環(huán)管路1和預(yù)設(shè)介質(zhì)管道8形成一個用于循環(huán)介質(zhì)可循 環(huán)流通的環(huán)路；傳感器組3設(shè)置在預(yù)設(shè)介質(zhì)管道8的內(nèi)壁或外壁上，且傳感器組3中的各傳 感器按預(yù)設(shè)距離設(shè)置，以用于測量各分層土壤的溫度；流量傳感器4設(shè)置在介質(zhì)循環(huán)管路1 上，用于測量介質(zhì)循環(huán)管路1內(nèi)介質(zhì)的流量；傳感器組3和流量傳感器4與數(shù)據(jù)測量控制裝 置5連接，由數(shù)據(jù)測量控制裝置5控制傳感器組3內(nèi)的各傳感器和流量傳感器4的運(yùn)行，并 接收傳感器組3內(nèi)的各傳感器以及流量傳感器4測得的溫度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。根據(jù)測量得 到的土壤中各分層土壤的溫度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)，即可通過計算得到各分層土壤的熱物性參 數(shù)，以便為土壤源熱泵的設(shè)計提供依據(jù)。 實(shí)際應(yīng)用中，所述的介質(zhì)容器2可包括用于注入循環(huán)介質(zhì)水的注水口、與循環(huán)水 泵連接的第一連接口和與介質(zhì)循環(huán)管路連接的第二連接口，以便于介質(zhì)循環(huán)管路1、循環(huán)水 泵7和介質(zhì)容器2更加方便可靠地組裝在一起，同時，可便于為介質(zhì)容器內(nèi)加入介質(zhì)循環(huán) 水。此外，所述的加熱裝置6可以為電加熱器，設(shè)置在介質(zhì)容器2內(nèi)，且該電加熱器可以固 定的功率進(jìn)行加熱，且該電加熱器的加熱功率可調(diào)，以在的加熱過程中，可滿足實(shí)際應(yīng)用中 對循環(huán)介質(zhì)水進(jìn)行加熱的需要。 此外，如圖1所示，介質(zhì)循環(huán)管路1和介質(zhì)容器2之間還可設(shè)置有平衡閥9，用于調(diào) 節(jié)環(huán)路內(nèi)循環(huán)介質(zhì)流量。所述土壤熱物性參數(shù)測量裝置還可包括控制中心io，與循環(huán)水泵 7、數(shù)據(jù)測量控制裝置5和加熱裝置6連接，用于控制各部件的運(yùn)行，通過該控制中心10，可 有效地對循環(huán)水泵7、加熱裝置6和數(shù)據(jù)測量控制裝置5進(jìn)行控制，以準(zhǔn)確可靠地完成對溫 度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)的測量，獲得所需的測量數(shù)據(jù)。 實(shí)際應(yīng)用中，溫度傳感器組3內(nèi)傳感器的個數(shù)一般設(shè)置在10個以上，可根據(jù)實(shí)際 的需要而設(shè)定，如需要埋設(shè)的換熱器管的深度，可設(shè)定50-100個，具體地，本實(shí)施例中溫度 傳感器的數(shù)量設(shè)定為100個，且間隔均勻地垂直設(shè)置在預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或外壁上。其 中，每個溫度傳感器的設(shè)置的位置即可表示相應(yīng)地分層土壤，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時的溫度。 此外，如圖l所示，本實(shí)施例中也可在預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的進(jìn)出口處設(shè)置第一出口溫 度傳感器和第二出口溫度傳感器，根據(jù)測量的預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的出口溫度，可評估預(yù)設(shè)介質(zhì) 管路的換熱量，為整個土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。 下面對本實(shí)用新型實(shí)施例的具體測量過程進(jìn)行說明，以對本實(shí)用新型技術(shù)方案有 更好的了解，具體地，利用本實(shí)用新型實(shí)施例對待測量土壤進(jìn)行測量時，可包括以下步驟 步驟1、安裝測量裝置。 將預(yù)設(shè)介質(zhì)管道8和傳感器組3 —起放入預(yù)先鉆好的孔洞內(nèi)，其中，該預(yù)設(shè)介質(zhì)管 道8為U型管換熱器，傳感器組3可設(shè)置在U型管換熱器的內(nèi)壁或外壁上，優(yōu)選地，將該傳 感器組3設(shè)置在U型管內(nèi)，以便于各傳感器的安裝和更換；當(dāng)預(yù)設(shè)介質(zhì)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(shí)；然后，將介質(zhì)循環(huán)管路1、介質(zhì) 容器2、流量傳感器4、循環(huán)水泵7、加熱裝置6、數(shù)據(jù)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(jìn)行檢測， 查看連接是否合格、可靠，若有問題，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)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(fù)到初始狀態(tài)時，在控制中心10 和數(shù)據(jù)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(shù) 據(jù)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(yīng)與傳感器的設(shè)置位置對應(yīng)，以便可準(zhǔn)確地計算出各傳感器設(shè)置位置所 對應(yīng)的分層土壤的熱物性參數(shù)。具體地，在進(jìn)行溫度測量時，傳感器組3中的各傳感器可按 預(yù)設(shè)距離布設(shè)在U型換熱管內(nèi)后，可對每個傳感器進(jìn)行編號，當(dāng)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(jìn)行記錄時，與相應(yīng)傳感器的編號進(jìn)行對應(yīng)，以 保證溫度數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性和可靠性，同時，也便于溫度數(shù)據(jù)的記錄和調(diào)用。 步驟3、測量循環(huán)介質(zhì)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(zhì)容器2內(nèi)注滿循環(huán)介質(zhì) 水，并通過控制中心10開啟循環(huán)水泵7，同時利用平衡閥調(diào)節(jié)環(huán)路內(nèi)水的流量，待環(huán)路內(nèi)水 循環(huán)穩(wěn)定后開啟加熱裝置，并以調(diào)節(jié)好的恒定的加熱功率加熱循環(huán)介質(zhì)水。然后，以一定的 時間間隔檢測和記錄傳感器組3內(nèi)各溫度傳感器檢測得到的溫度數(shù)據(jù)，同時，在進(jìn)行溫度 測量時，以相同的時間間隔內(nèi)檢測和記錄流量傳感器4檢測得到的循環(huán)介質(zhì)水在環(huán)路內(nèi)的 流量，待測量裝置循環(huán)運(yùn)行2 3天，數(shù)據(jù)測量控制裝置檢測得到的溫度數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時， 關(guān)閉循環(huán)水泵和加熱裝置。 步驟4、測量土壤溫度恢復(fù)過程中各分層土壤的溫度。 當(dāng)步驟3測量完畢，關(guān)閉循環(huán)水泵和加熱裝置后，以一定的時間間隔繼續(xù)檢測和 記錄土壤恢復(fù)到初始溫度過程中的溫度，直到土壤恢復(fù)到初始溫度為止，土壤溫度恢復(fù)過 程一般為3天。 可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例土壤熱物性參數(shù)測量裝置可通過以上步驟獲得各種 狀態(tài)下分層土壤的溫度，根據(jù)測量得到的各種狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)，以及測量得到的流量數(shù) 據(jù)和加熱循環(huán)介質(zhì)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(shù)，根據(jù)獲得的各分層土壤的熱物性參數(shù)即可對土壤源熱泵進(jìn)行設(shè)計，以滿足實(shí) 際的設(shè)計需要。 本實(shí)用新型實(shí)施例土壤熱物性參數(shù)測量裝置通過設(shè)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(huán)介質(zhì)水進(jìn)行熱交換過程中各分層土 壤的溫度，根據(jù)測量得到的各分層土壤的溫度數(shù)據(jù)，可精確地計算得到各分層土壤的熱物 性參數(shù)，提高土壤熱物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性，以便為土壤源熱泵的設(shè)計提供可靠 地數(shù)據(jù)，提高土壤源熱泵設(shè)計的準(zhǔn)確性。 最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限 制，盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(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 解其依然可以對本實(shí)用新型的技術(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)方案脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，包括介質(zhì)循環(huán)管路和與所述介質(zhì)循環(huán)管路連接的用于提供循環(huán)介質(zhì)的介質(zhì)容器，其中，所述介質(zhì)容器內(nèi)設(shè)置有用于加熱循環(huán)介質(zhì)的加熱裝置；所述介質(zhì)循環(huán)管路和介質(zhì)容器之間設(shè)置有用于提供循環(huán)動力的循環(huán)水泵，所述介質(zhì)循環(huán)管路的進(jìn)口和出口與設(shè)置在待測量土壤中的預(yù)設(shè)介質(zhì)管道連接，使得所述循環(huán)管路和所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道形成環(huán)路；所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或外壁上設(shè)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(yù)設(shè)距離設(shè)置；所述介質(zhì)循環(huán)管路上還設(shè)置有用于測量介質(zhì)流量的流量傳感器；所述傳感器組和流量傳感器分別與數(shù)據(jù)測量控制裝置連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)循環(huán)管路 和介質(zhì)容器之間還設(shè)置有用于調(diào)節(jié)循環(huán)介質(zhì)流量的平衡閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述加熱裝置為電 加熱器，設(shè)置在所述介質(zhì)容器內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，還包括用于控制所 述循環(huán)水泵、數(shù)據(jù)測量控制裝置和加熱裝置運(yùn)行的控制中心。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)容器包括 用于注入循環(huán)介質(zhì)的注水口 、與所述循環(huán)水泵連接的第一連接口和與所述介質(zhì)循環(huán)管路連 接的第二連接口。
6 . 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤熱物性參數(shù)測量裝置，其特征在于，溫度傳感器的數(shù)量 為50-100個，且間隔均勻垂直設(shè)置在所述預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或外壁上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種土壤熱物性參數(shù)測量裝置。該裝置包括介質(zhì)循環(huán)管路和介質(zhì)容器，介質(zhì)容器內(nèi)設(shè)置有加熱裝置；介質(zhì)循環(huán)管路和介質(zhì)容器之間設(shè)置有循環(huán)水泵，介質(zhì)循環(huán)管路的進(jìn)口和出口與設(shè)置在待測量土壤中的預(yù)設(shè)介質(zhì)管道連接；預(yù)設(shè)介質(zhì)管道的內(nèi)壁或外壁上設(shè)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(yù)設(shè)距離設(shè)置；介質(zhì)循環(huán)管路上還設(shè)置有流量傳感器；傳感器組和流量傳感器分別與數(shù)據(jù)測量控制裝置連接。本實(shí)用新型技術(shù)方案可精確地測量地下各分層土壤的溫度，根據(jù)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(shù)，為土壤源熱泵設(shè)計提供依據(jù)。
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(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者呂曉辰, 朱清宇, 沈亮, 肖龍, 錢程 申請人:中國建筑科學(xué)研究院