淺層地溫能熱、冷響應測試設備以及測試車的製作方法

2023-05-16 16:05:46 2

專利名稱：淺層地溫能熱、冷響應測試設備以及測試車的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種淺層地溫能測試設備，特別是涉及一種淺層地溫能熱、 冷響應測設備以及測試車。
背景技術：
國內地源熱泵的應用時間不長，相關的理論研究相對滯後，尤其在土 壤換熱器的換熱能力方面的研究，既缺乏數據積累，也缺乏現成的測試方 法。由於地源熱泵的地埋管系統屬於地質專業和暖通製冷專業的交叉學科， 因此， 一直以來對其研究不夠深入。 一旦地埋管換熱器設計不好，很容易 造成系統工作效率下降，甚至導致地源熱泵主機無法正常工作。
目前，對淺層地溫能熱、冷響應測試的傳統方法是獲得巖土的熱物性 參數，進而通過軟體計算巖土冬、夏季工況的換熱能力。獲得巖土熱物性 參數的方法 一種是通過當地鑽孔取出的巖土樣本確定鑽孔周圍的地質構 成，並作傳熱試驗確定其熱物性參數，或對採樣巖土成分分析後，查閱相 關資料確定其熱物性參數。然而，地下地質構成複雜，即使同一種巖土成 分，其熱物性參數取值範圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系 數可相差近十倍，導致計算得到的埋管長度也相差數倍，從而使得地源熱 泵系統的造價會產生相當大的偏差。另外，這種方法無法對地埋管換熱系 統的回填料的熱物性以及回填料與地埋管及巖土之間的傳熱熱阻進行分 析，更無法準確確定不同運行工況(溫度)下地埋管換熱系統的換熱情況。 因此，只有現場測試數據才能準確反映當地地質條件、施工工藝水平下的 地埋管換熱量。另一種方案是，通過向巖土排熱測定其熱物性參數。首先 預估該換熱孔的換熱能力，使用電加熱器向地埋管提供恆定的熱流，得出地 埋管進、出水溫度變化數據，然後利用傳熱模型計算巖土熱物性參數。另 外，此方案可以直接測定巖土的吸熱能力。巖土換熱能力包括兩方面，一方 面是巖土的吸熱能力，另一方面巖土的排熱能力。現有的測試設備只能測 試巖土的吸熱能力，所以，得出來的結果無法全面反映巖土的換熱能力。
因此有必要提出 一種方案來解決地源熱泵地埋管換熱器換熱能力評價 的問題。

發明內容
本發明的目的在於，克服現有的地埋管換熱器換熱能力測試方法和測 試設備存在的缺陷，提供一種新的淺層地溫能熱、冷響應測試設備以及測 試車，所要解決的技術問題是使其準確測量地源熱泵地埋管換熱器換熱能 力，從而更加適於實用。
本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據
本發明提出的一種淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其包括循環管路，用 於輸送流體介質；空氣源熱泵，設置在循環管路上，用於對流體介質加熱 或者降溫；緩衝箱，設置在循環管路上，用於保持流體介質的溫度穩定；泵， 設置在循環管路上，用於輸送流體介質；流量傳感器，設置在循環管路上， 用於檢測流體介質在循環管路內的流量；溫度傳感器，設置在循環管路上 用於檢測流體介質的溫度；以及控制系統，接收上述的流量傳感器和溫度 傳感器的數據，並控制空氣源熱泵和泵的工作狀態。
本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。 前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其還包括輔助加熱器，設置 在上述的循環管路上。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，所述的輔助加熱器為電加熱器。 前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其中所述的循環管路包括流 體介質輸出口 ，和流體介質返回口 ；在該輸出口和返回口處分別設有溫度 傳感器。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其中所述的空氣源熱泵包括 變頻壓縮機，四通換向閥、板式換熱器、電子膨脹閥及風冷換熱器，其中 變頻壓縮機、板式換熱器、電子膨脹閥、風冷換熱器和四通換向閥通過管
線連接形成循環迴路。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其中所述的控制系統包括 PLC控制器；數據採集模塊，連接至上述的流量傳感器和溫度傳感器；數據 輸出模塊，用於輸出數據；以及變頻器控制模塊，用於控制上述的空氣源 熱泵和泵；上述的各個模塊都連接於PLC控制器。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其中所述的控制系統還包括加熱器控制模塊，用於控制輔助加熱器，並且該模塊連接到PLC控制器。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試"i殳備，其中所述的控制系統還包括 觸控螢幕，其連接至PLC控制器，用於實現人機互動。
前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其中所述的循環管路上設有 多個閥門，用於控制循環管路中流體介質的流向。
本發明提出的一種淺層地溫能熱、冷響應測試車，其包括有一車廂，其特 徵在於在車廂中安裝有前述的淺層地溫能熱、冷響應測試i殳備。
藉由上述技術方案，本發明至少具有下列優點本發明淺層地溫能熱、 冷響應測試設備，由於採用變頻的空氣源熱泵，其能夠提供熱源和冷源，可 以根據具體測定的需要設定適合的溫度，從而可以更加準確地測定巖土的 換熱能力。採用本發明的測試設備能夠根據不同工況下巖土的換熱能力調 節測試設備，從而使地埋管的進、出水溫度和功率穩定，使用本發明的測 試設備進行測試可以按照要求建立設定溫度，無論是冬季工況還是夏季工 況，並且溫度穩定。另外，使用本發明的淺層地溫能熱、冷響應測試車，可 以方便地對各個不同地域進行測定，滿足現場測試的需要，從而更加適於 實用。
綜上所述，本發明特殊結構的淺層地溫能熱、冷響應測試設備以及測 試車，其具有上述諸多的優點及實用價值，並在同類產品中未見有類似的 結構設計公開發表或使用而確屬創新，其不論在結構上或功能上皆有較大 的改進，在技術上有較大的進步，並產生了好用及實用的效果，且較現有 的同類測試設備具有增進的多項功能，從而更加適於實用，而具有產業的 廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的 技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例 並配合附圖詳細il明如後。
冷響應測試i殳備的系統原理圖。 冷響應測試i殳備的結構正面4見圖。 冷響應測試i殳備的結構俯一見圖。 冷響應測試設備的控制系統框圖。


圖1是本發明淺層地溫能熱、 圖2是本發明淺層地溫能熱、 圖3是本發明淺層地溫能熱、 圖4是本發明淺層地溫能熱、圖5是本發明的變頻空氣源熱泵的組成示意圖。 圖6是地埋管埋入巖土中的示意圖。 圖7是土壤初始溫度測定原理圖。
圖8是向土壤排熱測試(單孑L、空氣源熱泵制熱)、從土壤吸熱測試(單 孔、空氣源熱泵製冷)原理圖。
圖9是向土壤排熱測試(單孔、電加熱制熱)原理圖。
圖IO是向土壤排熱測試(雙孔、電加熱和空氣源熱泵聯合制熱)原理圖。
圖ll是系統預熱原理圖。
圖12和圖13是傳統測試設備(電加熱)測試結果。其中，圖12是進 出水溫度、圖13是排熱量。
圖14和圖15是本發明測試設備的測試結果。其中，圖14是冬季測試、 圖15是夏季測試。
具體實施例方式
以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的淺層地溫能熱、冷 響應測試設備其具體實施方式
、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。
請參閱圖1至圖4所示，圖l是本發明淺層地溫能熱、冷響應測試設備的 系統原理圖，圖2是本發明淺層地溫能熱、冷響應測試設備的結構的正面視 圖，圖3是本發明淺層地溫能熱、冷響應測試設備的結構俯視圖，圖4是本 發明淺層地溫能熱、冷響應測試設備的控制系統框圖。本發明較佳實施例 的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其主要包括循環管路IOO,其用於輸 送流體介質，在本發明中所述的流體介質為水，防凍液，或者水與其他有 機溶劑的混合物，如乙二醇水溶液，該循環管^各包括流體介質輸出口 ，和流 體介質返回口；空氣源熱泵9 (包括室外機9a和室內機9b)，設置在循環管 路100上，用於對流體介質加熱或者降溫；緩衝箱5，為設置在循環管路IOO 上的容器，用於儲存流體介質，由於該緩衝箱5可以容納大量的流體介質， 所以可以緩衝從空氣源熱泵流出的流體介質的溫度波動，從而保持整個循 環管路中流體介質的溫度穩定；泵2a、 2b，設置在循環管路上，用於輸送流 體介質，較佳的，採用兩個泵2a、 2b並聯設置；流量傳感器7，設置在循環 管路100上，用於檢測流體介質在循環管路內的流量；溫度傳感器IO,用於 檢測流體介質的溫度，其包括一個設置在循環管路返回口的返回溫度傳感 器10a和一個設置在循環管路輸出口的輸出溫度傳感器10b;單向閥3a、 3b分別設置在上述泵2a和泵2b出口的循環管路上，防止流體介質的逆流,保持 流體介質的流動方向；以及控制系統200，與流量傳感器、溫度傳感器、空 氣源熱泵和泵電性連接，接收上述的流量傳感器和溫度傳感器的數據，並控 制空氣源熱泵和泵的工作狀態，以及數據的輸入和輸出。
在正常情況下，本發明的空氣源熱泵既能夠使流體介質的溫度高於環 境溫度，也能夠使流體介質的溫度低於環境溫度，從而使該測試設備不受 環境溫度的限制，具有廣泛的應用範圍。較佳的，上述的循環管路100上還 i殳有輔助加熱器4，更好的為電加熱器，加熱器的作用在於當空氣源熱泵的 制熱能力達不到要求時，為流體介質提供加熱，使其溫度滿足測試條件的 要求。
請參閱圖5所示，是本發明的變頻空氣源熱泵的組成示意圖。上述的空 氣源熱泵9包括室外機9a和室內才幾9a。室內^幾9a包括變頻壓縮才幾91，四 通換向閥92、板式換熱器93和電子膨脹閥94,室外機包括風冷換熱器95， 其中變頻壓縮機91、板式換熱器92、電子膨脹閥93、風冷換熱器95和四通 換向閥94通過管線連接形成循環迴路。通過四通換向閥94的換向作用可以 實現板式換熱器93對外輸出熱量或者冷量，從而實現加熱流體介質或者冷 卻流體介質。該空氣源熱泵9的製冷能力llkW,制熱能力12kW。
上述的控制系統200包括PLC控制器201;數據採集模塊202,連接 至上述的流量傳感器7和溫度傳感器10a、 10b;數據輸出模塊203，用於 向外部設備(如存儲設備或者數據處理設備)輸出數據；加熱器控制模塊 204，用於控制加熱器；觸控螢幕205，其連接至PLC控制器，用於實現人才幾 交互；以及變頻器控制模塊206,用於控制上述的空氣源熱泵和泵；並且該 模塊連接到PLC控制器；上述的各個模塊都連接於PLC控制器。
本發明還包括在上述的循環管路上設有多個閥門V1 ~ V16,用於控制循 環管路中流體介質的流向，其中閥V4為洩水閥，共有3個。
上述的變頻壓縮機和泵均釆用變頻控制，電加熱器的功率為12kW，釆用 PID (比例微積分)控制。通過泵的頻率調節，使測試設備的進、出水溫差 滿足設定的要求，通過調節壓縮機的頻率或者電加熱PID控制使測試車的出 水溫度滿足要求，從而建立所需要的冷、熱測試工況。緩衝箱除了起到補 充流體介質的作用外，還能夠減小流體介質溫度波動速度的作用。
請參閱圖6所示，是地埋管埋入巖土中的示意圖。地埋管換熱器是將U 型地埋管101埋入巖土103中，並在地埋管周圍添加填料102。地埋管換熱器 的流體介質流過地埋管並與巖土發生熱交換。圖6中a為夏季工況，b為冬季工況示意圖。本發明的淺層地溫能熱、冷響應測試設備就是用於測量地埋 管的實際換熱能力，從而為地埋管的設計提供數據。該地埋管的一端連接 到上述淺層地溫能熱、冷響應測試設備的流體介質輸出口另一端連接到流 體介質返回口 。
較佳的，本發明的測試設備在循環管路的流體介質輸出口為多個，且流 體介質返回口也為多個，從而同時測定多組地埋管的換熱數據。
本發明的測試設備能夠實現以下工況的測量
l)土壤初始溫度測定、2)向土壤排熱測試(單孔、空氣源熱泵制熱)、 3)向土壤排熱測試(單孔、電加熱制熱)、4)向土壤排熱測試(雙孔、電 加熱和空氣源熱泵聯合制熱)、5 )從土壤吸熱測試(單孔、空氣源熱泵制 冷)、6)系統預熱(電加熱制熱)。
1) 土壤初始溫度測定閥V6、 V12、 V13、 V17、 V18開啟，其餘閥門 關閉，見圖7。水泵2b出口通過單向閥3b直接與地埋管進水口相連，而地 埋管出水口則通過Y型過濾器1連接流量傳感器7並與泵2b入口相連。溫 度傳感器10和流量傳感器7將測量的水溫和流量信號送至控制系統並顯 示。
2) 向土壤排熱測試(單孔、空氣源熱泵制熱)閥V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V15、 V16開啟，其餘閥門關閉，見圖8 。 -使用空氣源熱泵 作單孔向土壤排熱和從土壤吸熱測試時，空氣源熱泵9的出水口進入開式 緩沖箱5後通過泵2a和單向閥3a與地埋管進水口相連接，地埋管出水口 則通過Y型過濾器1和流量傳感器7與空氣源熱泵9的進水口相連接。溫 度傳感器10和流量傳感器7將測量的水溫和流量信號送至控制系統並顯 示。
3) 向土壤排熱測試(單孔、電加熱制熱)閥V1、 V2、 V7、 V8、 V12、 V13、 V14、 V15、 V16開啟，其餘閥關閉，見圖9。使用電加熱器作單孔向 土壤排熱測試時，電加熱器4的出水口進入開式緩衝箱5後通過水泵2a和 單向閥3a與地埋管進水口相連接，地埋管出水口則通過Y型過濾器1和流 量傳感器7與電加熱器4的進水口相連接。溫度傳感器8和流量傳感器7 將測量的水溫和流量信號送至控制系統並顯示。
4) 向土壤排熱測試(雙孔、電加熱和空氣源熱泵聯合制熱)閥V1、 V2、 V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V14、 V15、 V16開啟，其餘閥門關 閉，見圖10。作雙孔向土壤排熱測試時，空氣源熱泵9的出水口與電加熱 器4的出水口共同接入開式緩衝箱5後通過水泵2和單向閥4與地埋管進水口相連接，地埋管出水口則通過Y型過濾器1和流量傳感器7與空氣源 熱泵9和電加熱器4的進水口相連接。溫度傳感器10和流量傳感器7將測 量的水溫和流量信號送至控制系統並顯示。
5) 從土壤吸熱測試(單孔、空氣源熱泵製冷)閥V3、 V7、 V8、 V9、 VIO、 V12、 V13、 V15、 V16開啟，其餘閥門關閉，見圖8。
6) 系統預熱(電加熱制熱況)閥V1、 V2、 V5、 V7、 V8、 V14、 V15、 V16開啟，其餘閥門關閉，見圖11。系統預熱時，電加熱器4出水口直接 進入開式緩衝箱5，然後通過水泵2a、單向閥3a、 Y型過濾器1和流量傳 感器7與電加熱器7的進水口相連接。
請參閱圖12和圖13所示，是傳統測試設備(電加熱)測試結果，其中，圖 12是進、出水溫度、圖13是地埋管換熱器排熱量。可以看到傳統的電加熱 式測量設備，提供恆熱流的測試設備突出的缺點是無法模擬土壤源熱泵的 實際運行工況，地埋管進出水溫度波動很大，無法穩定達到要求的溫度。從 圖12和圖13中可以看出，地埋管的進、出水溫度在整個運行時間內一直波 動上升，其平均進、出水溫度分別為24. 4。C和28. rC，整個運行時間內大 部分的溫度都與平均值偏差較大。地埋管換熱系統的換熱量也有很大波動。 這樣的測試結果可以作為參考，但作為地埋管換熱系統的計算依據不夠準 確。
請參閱圖14和圖15所示，是本發明的測試設備的測試結果，其中，圖14 是冬季測試、圖15是夏季測試。採用本發明的測試設備能夠根據不同工況 下巖土的換熱能力調節測試設備，從而使地埋管的進、出水溫度和功率穩 定，使用本發明的測試設備進行測試可以按照要求建立工況設定溫度，無論 是冬季工況還是夏季工況，並且溫度穩定。
從圖12、圖13中可以看出，現有同類測試設備測試結果溫度一直呈上 升趨勢，並未達到穩定，地埋管換熱器排熱量波動也較大；而從圖14、圖 15中可以看出，淺層地溫能熱、冷響應測試設備除了冬、夏季工況均能測 試外，其進、出水溫度也比較穩定(正負偏差不超過O. 3攝氏度)，換熱量 波動較小，測試結果可信度高。
本發明的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，能夠建立地源熱泵實際運 行的製冷和制熱工況(即地埋管換熱系統的工作溫度)；電加熱器和空氣源 熱泵同時開啟，能夠同時測試兩組換熱孔的換熱能力及相互間熱幹擾；在嚴 寒季節也能夠開啟向土J^泉排熱測試(此時啟動電加熱排熱)；水泵變流量控 制進、出水溫差；壓縮機變頻及電加熱器PID控制測試車出水溫度，水箱蓄能，減小水溫波動。
由於測試遍布各地，需要將測試設備抵達測試現場才能夠進行測試。所 以，本明還提出一種淺層地溫能熱、冷響應測試車，其是在廂式貨車安裝有 前述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，具體安裝可參見圖2和圖3所示。該 測試車可以更加靈活地對不同地域進行測試，,人而更加適於實用。本發明的 測試車能夠滿足現場測試要求，建立土壤源熱泵的冬、夏季實際運行工況， 並能夠維持運行工況的穩定，測試得到的溫度、流量、排冷(熱)量等數 據可實時顯示並能夠輸出存儲。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式 上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發 明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利 用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例 所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍 內。
權利要求
1、一種淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在於其包括循環管路，用於輸送流體介質；空氣源熱泵，設置在循環管路上，用於對流體介質加熱或者降溫；緩衝箱，設置在循環管路上，用於保持流體介質的溫度穩定；泵，設置在循環管路上，用於輸送流體介質；流量傳感器，設置在循環管路上，用於檢測流體介質在循環管路內的流量；溫度傳感器，設置在循環管路上用於檢測流體介質的溫度；以及控制系統，接收上述的流量傳感器和溫度傳感器的數據，並控制空氣源熱泵和泵的工作狀態。
2、 根據權利要求1所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在 於還包括輔助加熱器，設置在上述的循環管路上。
3、 根據權利要求1所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在 於所述的輔助加熱器為電加熱器。
4、 根據權利要求1所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在 於其中所述的循環管路包括流體介質輸出口，和流體介質返回口；在該輸 出口和返回口處分別設有溫度傳感器。
5、 根據權利要求l所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在於 其中所述的空氣源熱泵包括變頻壓縮機，四通換向閥、板式換熱器、電 子膨脹閥及風冷換熱器，其中變頻壓縮機、板式換熱器、電子膨脹閥、風 冷換熱器和四通換向閥通過管線連接形成循環回5^。
6、 根據權利要求2所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在 於其中所述的控制系統包括PLC控制器；數據採集模塊，連接至上述的流量傳感器和溫度傳感器； 數據輸出模塊，用於輸出數據；以及 變頻器控制模塊，用於控制上述的空氣源熱泵和泵； 上述的各個模塊都連接於PLC控制器。
7、 根據權利要求6所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在於其中所述的控制系統還包括加熱器控制模塊，用於控制輔助加熱器，並且該模塊連接到PLC控制器。
8、 根據權利要求6所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其特徵在 於其中所述的控制系統還包括觸控螢幕，其連接至PLC控制器，用於實現人機互動。
9、 根據權利要求l-8任一項所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備，其 特徵在於其中所述的循環管路上設有多個閥門，用於控制循環管路中流體 介質的流向。
10、 一種淺層地溫能熱、冷響應測試車，其包括有一車廂，其特徵在 於在車廂中安裝有如權利要求9所述的淺層地溫能熱、冷響應測試設備。
全文摘要
本發明是關於一種淺層地溫能熱、冷響應測試設備以及測試車。該測試設備包括循環管路，用於輸送流體介質；空氣源熱泵，設置在循環管路上，用於對流體介質加熱或者降溫；輔助加熱器，設置在循環管路上，用於對流體介質加熱；緩衝箱，設置在循環管路上，用於保持流體介質的溫度穩定；泵，設置在循環管路上，用於輸送流體介質；流量傳感器，設置在循環管路上，用於檢測流體介質在循環管路內的流量；溫度傳感器，設置在循環管路上，用於檢測流體介質的溫度；以及控制系統，接收上述的流量傳感器和溫度傳感器的數據，並控制空氣源熱泵和泵的工作狀態。使用本發明的測試設備進行測試可以按照要求建立工況設定溫度，無論是冬季工況還是夏季工況，並且溫度穩定，所得數據更加符合實際工程的需要。
文檔編號G01N25/20GK101430294SQ200710188219
公開日2009年5月13日 申請日期2007年11月9日 優先權日2007年11月9日
發明者恆 尹, 李文偉, 樓洪波, 畢文明, 震 趙 申請人:北京華清榮昊新能源開發有限責任公司