地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置與方法

2023-07-05 05:48:06 1

專利名稱：地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置與方法
技術領域：
本發明涉及地源熱泵系統技術領域。
背景技術：
地源熱泵利用安裝在能源井內的換熱器冬季從周圍土壤中提取熱量滿足室內供暖需求，夏季把室內熱量排入周圍土壤中完成室內製冷。參見圖6，為地源熱泵系統示意圖。受土壤熱容量及周圍土壤換熱速率的影響，每口能源井中的換熱器只能從有限的半徑範圍內取得能量。如果不能掌握能源井使用過程中溫度影響半徑，在設計施工過程中，要麼把能源井間距設置的過大，佔用較多的土地，要麼把能源井的間距設置的過小，土壤換熱情況惡化，影響使用效果。在設計與施工過程中，合理布置能源井間距以達到土地資源利用的最大化又不犧牲能源井換熱效率就顯得尤為重要。但是當前對於地下換熱器所處的能源井內土壤溫度變化及溫度擴散半徑的研究都是基於理論計算，理論計算過程中，受計算速度及傳熱方程的限制，多數模型忽略掉土壤內部水分遷移及所有接觸熱阻引起的影響，把U形管等效為單管或者看作兩個獨立的柱熱源考慮，最接近實際的理論模型目前也只能做到準三維，不能夠準確反映實際狀況。在實驗測試時，由於土壤的腐蝕性，傳感器鎧裝直埋後，引出線老化很快，會導致短路而失去測試功能，並且在回填過程中，由於沒有保護措施，引出線很容易被損壞。到目前還未見有任何能夠達到本技術指標的測試技術。

發明內容
本發明的主要目的是針對現有技術的缺位，解決現有技術無法準確估算並無法有效測量地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑的不足，提出了一種地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，提供了淺層地熱使用情況的實際測試技術，以更好的了解地下溫度場分布特徵及使用過程中的變化情況。並利用這套裝置提供了對地下能源井及周圍土壤溫度變化情況進行測量的方法，準確了解地源熱泵系統地下換熱情況，為地下換熱系統的設計與施工提供更好的依據。
為了實現以上目的，本發明所採用的地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，包括埋在土壤中的溫度測量部件1以及與其順次連接的溫度採集部分2、溫度顯示部分3；特徵在於溫度測量部件1包括溫度傳感器5和管子4，溫度傳感器5置於管子4內部，一端通過連接溫度傳感器5的引出線9與地面上的溫度採集部分2相連，另一端通過設置在管子4上的孔引出到管子4外部與土壤7接觸；溫度傳感器5與管子4上的孔之間以及管子4兩端開口處用封裝材料6密封，使管子4內部與土壤或者水隔離。
管子4採用不鏽鋼管或塑料管或日豐管。
管子4的內徑為5～40mm。
管子4為多根管子連接而成。
溫度傳感器5露出土壤的部分使用不鏽鋼材料鎧裝。
封裝材料6為遇水膨脹橡膠。
採用本發明的測試裝置，可以利用現有傳感器直接測量能源井內溫度，鎧裝保護防止傳感器老化腐蝕，不會產生傳感器老化導致的測量精度衰減問題，延長了使用壽命；封裝材料6與封裝管子4的結合使用，防止水分進入管內，避免引出線受到腐蝕，能夠更好的長期使用；在回填過程中，由於傳感器引出線在管子內部，不會受到任何損害。
利用本發明的測試裝置所採用的測試方法，是一種利用溫度傳感器完成對地源熱泵能源井中不同深度的溫度及溫度擴散半徑的測量方法，其特徵在於，它是按以下步驟進行的1.製作溫度測量部件1)在管子4上根據溫度傳感器5的直徑鑽孔，相鄰孔間距離為2～10米；2)通過管子4上的孔安裝溫度傳感器5，並把溫度傳感器5的引出線通過管子內部引出，將多根管子採用公知的方法連接起來，並將引出線從所有管內引出；3)在安裝溫度傳感器5的部位及管子最底端及最上端開口處用封裝材料6封裝。
2.安裝溫度測量部件到能源井並與溫度採集系統及顯示系統連接1)在能源井周圍打測試井，測試井中心與能源井中心在同一直線上或測試井沿能源井的徑向分散布置，如圖3、4所示；把封裝有傳感器的管子安裝到能源井10和其他測試井中，最上端傳感器離地面不小於5米；2)用公知的回填方法對安裝好溫度測量部件的井完成回填；3)將引出線與溫度採集系統2連接；4)將溫度採集系統2與溫度顯示系統3連接。
3.測量能源井內溫度變化及擴散半徑1)在地源熱泵運行前，記錄每口井內不同深度土壤溫度，對同一口井中不同深度溫度值取算術平均值，把它作為該井的初始溫度；
2)記錄運行過程中所有溫度傳感器採集的溫度值，獲得地源熱泵系統運行過程中能源井內及其周圍土壤溫度變化趨勢；3)能源井出水溫度穩定後，計算每個井中不同深度溫度傳感器採集溫度值的算術平均值，作為該井在系統穩定後的溫度；4)計算每口井初始溫度與系統穩定後的溫度之差，以差值超過初始溫度15％、距離能源井最遠的測試井與能源井的間距作為影響半徑。
採用本發明的測試方法，利用現有物質基礎解決了地源熱泵技術中深層土壤的溫度測量問題，利用該方法簡便易行，便於操作，獲得的數據能夠很好的用於地源熱泵技術的設計施工，具有很高的經濟價值。


圖1地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置示意圖；圖2本發明的溫度測量部件；圖3本發明的測試裝置直線安裝位置圖；圖4本發明的測試裝置分散安裝位置圖；圖5本發明實施例中測試裝置安裝位置圖；圖6地源熱泵系統能源井部分示意圖；圖中，1-溫度測量部件 2-溫度採集部分 3-溫度顯示部分 4-管子 5-溫度傳感器 6-封裝材料 7-土壤 8-回填材料 9-引出線 10-能源井 11～16-測試井中的溫度測量部件 17-熱泵機組。
具體實施例方式
北京工業大學高科技能源樓使用地源熱泵系統，在測量地下溫度的變化及溫度擴散半徑時，安裝了6組溫度測量部件，如附圖5所示，其中，溫度測量部件12和15分別安裝在兩個能源井10內，這樣可以減少井的數量，節約成本，其它的安裝在專門的測試井內，兩個能源井間距為5米，溫度測量部件14安裝在兩個能源井中間，溫度測量部件11安裝在溫度測量部件14的正上方2米處，溫度測量部件13安裝在溫度測量部件14正下方3米處，溫度測量部件16安裝在能源井10正下方2米處。井的深度為60米，每個測試井裡包含5個溫度傳感器，傳感器沿井的徑向間距10米，最上端的溫度傳感器距地面的距離為10米，溫度傳感器是鎧裝鉑電阻，溫度採集部分為HP34970A數據採集儀，將數據採集儀自帶的測量軟體安裝在電腦中，使用電腦顯示採集的數據。溫度測量部件11～13使用的是不鏽鋼管，溫度測量部件14～16號測試系統使用的是聚乙烯管(PE80)，管徑都是DN32，封裝材料使用的是遇水膨脹橡膠，並在封裝出管外塗上一層玻璃膠。在測量井內溫度變化及溫度擴散半徑時，右側的能源井10充當測試井，地源熱泵系統運行時，關閉它的水路，只充當測試井。冬季在地源熱泵系統運行的過程中，左側能源井10內的地源熱泵系統中的能量提取換熱器不斷將周圍土壤中的熱量帶走，左側能源井10和周圍的測試井內的溫度逐漸降低，從左側能源井中的溫度測量部件12可獲得能源井溫度變化情況，按照上述的測試方法，可得到溫度擴散半徑。
權利要求
1.一種地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，包括埋在土壤中的溫度測量部件(1)以及與其順次連接的溫度採集部分(2)、溫度顯示部分(3)；其特徵在於溫度測量部件(1)包括溫度傳感器(5)和管子(4)，溫度傳感器(5)置於管子(4)內部，一端通過連接溫度傳感器(5)的引出線(9)與地面上的溫度採集部分(2)相連，另一端通過設置在管子(4)上的孔引出到管子(4)外部與土壤(7)接觸；溫度傳感器(5)與管子(4)上的孔之間以及管子(4)兩端開口處用封裝材料(6)密封，使管子(4)內部與土壤或者水隔離。
2.根據權利要求1所述的地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，其特徵在於管子(4)採用不鏽鋼管或塑料管或日豐管。
3.根據權利要求1或2所述的地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，其特徵在於管子(4)的內徑在5～40mm。
4.根據權利要求1所述的地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，其特徵在於溫度傳感器(5)露出土壤的部分使用不鏽鋼材料鎧裝。
5.根據權利要求1所述的地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置，其特徵在於封裝材料(6)為遇水膨脹橡膠。
6.一種地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置的測試方法，是一種利用溫度傳感器完成對地源熱泵能源井中不同深度的溫度及溫度擴散半徑的測量方法，其特徵在於，它是按以下步驟進行的1)製作溫度測量部件；2)安裝溫度測量部件到能源井並與溫度採集系統及顯示系統連接①在能源井周圍打測試井，測試井中心與能源井中心在同一直線上或測試井沿能源井的徑向分散布置；把封裝有傳感器的管子安裝到能源井(10)和其他測試井中，最上端傳感器離地面不小於5米；②用公知的回填方法對安裝好溫度測量部件的井完成回填；③將引出線與溫度採集系統(2)連接；④將溫度採集系統(2)與溫度顯示系統(3)連接；3)測量能源井內溫度變化及擴散半徑①在地源熱泵運行前，記錄每口井內不同深度土壤溫度，對同一口井中不同深度溫度值取算術平均值，把它作為該井的初始溫度；②記錄運行過程中所有溫度傳感器採集的溫度值，獲得地源熱泵系統運行過程中能源井內及其周圍土壤溫度變化趨勢；③能源井出水溫度穩定後，計算每個井中不同深度溫度傳感器採集溫度值的算術平均值，作為該井在系統穩定後的溫度；④計算每口井初始溫度與系統穩定後的溫度之差，以差值超過初始溫度15％、距離能源井最遠的測試井與能源井的間距作為影響半徑。
7.根據權利要求6所述的一種地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置的測試方法，其特徵在於所述的製作溫度測量部件的方法是按以下步驟進行的①在管子(4)上根據溫度傳感器(5)的直徑鑽孔，相鄰孔間距離為2～10米；②通過管子(4)上的孔安裝溫度傳感器(5)，並把溫度傳感器(5)的引出線通過管子內部引出，將多根管子採用公知的方法連接起來，並將引出線從所有管內引出；③在安裝溫度傳感器(5)的部位及管子最底端及最上端開口處用封裝材料(6)封裝。
全文摘要
地源熱泵能源井溫度變化及溫度擴散半徑測試裝置與方法，涉及地源熱泵系統技術領域。該裝置是將溫度傳感器(5)封裝在管子(4)內，一端通過引出線(9)與地面上的溫度採集部分(2)相連，另一端通過設置在管子(4)上的孔引出到管子外部與土壤(7)接觸；溫度傳感器與管子上的孔之間以及管子兩端開口處用封裝材料(6)密封，使管子內部與土壤或水隔離。利用本裝置測量能源井初始溫度與系統穩定後的溫度，以溫度差值超過初始溫度15％、距離能源井最遠的測試井與能源井的間距作為影響半徑。本發明的裝置可以防止溫度傳感器受到腐蝕，使用提供的測試溫度擴散半徑的方法可以獲得合理布置能源井的最佳間距以達到土地資源利用的最大化。
文檔編號G01K1/10GK1699941SQ20051008422
公開日2005年11月23日 申請日期2005年7月18日 優先權日2005年7月18日
發明者馬重芳, 魏加項, 唐志偉, 張宏宇, 劉文學 申請人:北京工業大學