[发明专利]地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法

权利要求书

1.一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪，其特征在于它包括管路循环系统、测试系统和监控系统；其中管路循环系统由流量传感器（1）、循环水泵（2）、电加热器（3）、膨胀罐（4）、排气阀（7）、特制接头（14）、U型地埋管（15）、三通阀（8）和补水阀（9）所构成，流量传感器（1）一侧通过管道与测试仪入口（A）端连接，该段管道上接有三通阀（8），测试仪补水口（C）端接在三通阀（8）下端管道上，在测试仪补水口（C）端管道上接有补水阀（9），流量传感器（1）的另一侧通过管道和循环水泵（2）下部相接，循环水泵（2）上部通过管道与电加热器（3）下部连接，电加热器（3）上部通过管道与膨胀罐（4）相连，电加热器（3）的一侧通过管道与测试仪出口（B）端连接，该处管道上接有排气阀（7），测试仪入口（A）端通过特制接头（14）与U型地埋管（15）的出口连接，测试仪出口（B）端通过特制接头（14）与U型地埋管（15）的入口连接；

所述的测试系统由流量传感器（1）、温度传感器（5）、压力传感器（6）、功率传感器（13）所构成，流量传感器（1）一端接在测试仪入口（A）端管道上，另一端和监控系统（12）相连，在流量传感器（1）和测试仪入口（A）端相连接的管道上及电加热器（3）和测试仪出口（B）端相连接的管道上分别安装T₁和T₂温度传感器（5）及P₁和P₂压力传感器（6），在测试仪箱体内部和外部分别布置T₃和T₄温度传感器（5），所述T₁、T_2、T₃、T₄温度传感器（5）、P₁和P₂压力传感器（6）的另一端分别和监控系统（12）相连，功率传感器（13）一端和电加热器（3）相连，另一端和监控系统（12）相连；

所述的监控系统（12）由仪表系统和操作控制系统组成，其中仪表系统的组成为：模拟量测量模块一端分别与流量传感器（1）、温度传感器（5）、压力传感器（6）、功率传感器（13）相连，另一端与A/D转换模拟输入模块相连，PLC一端和A/D转换模拟输入模块相连，另一端通过系统I/O口与人机界面、开关量输出相连接，人机界面与U盘存储装置、PC机连接，另为系统提供配套电源及风扇；操作控制系统的组成为：220V交流电源，该电源通过相序保护继电器与仪表开关、仪表电源连接；同时伺服电机驱动器（11）与仪表电源并联；通过调节伺服电机驱动器（11）上的旋钮开度来改变水泵的转速，同时380V交流电源通过相序保护继电器、接触器开关与电加热器（3）连接，电加热器（3）与功率传感器（13）输入端相连，以上所有电源均来自于供电电源（10）。

2.一种用地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪的测试方法，其特征在于测试步骤如下：A、测试前的准备：将灌装循环液的地埋管埋设在按设计要求钻好孔的地层中，钻孔回填后，放置2~3天，使得地温恢复到初始状态，减少钻孔对地层的扰动，保证测量结果的准确，将测试仪循环管道的A、B两端分别与U型地埋管（15）的两端用特制接头（14）相连接，至此即形成一个完整的回路，接通电源后，打开排气阀（7）、补水阀（9）、将三通阀（8）开向排气状态，开启循环水泵（2），调节水泵转速即调节流量至设定值，通过补水端C将循环回路中充满水，排出循环回路中的气体，关闭排气阀（7）、补水阀（9），将三通阀（8）开向循环状态，测试准备完毕，开始测试工作；

B、模式选择

选择地层热物性测试模式或地埋管换热量测试模式；两种测试模式的测试原理分别如下：

选择控制地埋管入口A端水温的模式，进行换热量计算时按下列公式：

                                                                    （1）

式中，为地埋管换热器每米孔深换热量，为地埋管总换热量，为地下换热器的埋管深度，为循环液的比热，为循环液的密度， 循环液循环流量， 为埋管进出口温差；

选择控制加热功率模式，进行参数估算时按下列公式：

                          （2）

从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，调整后的热物性参数即是所求的结果，其中，为第时刻由模型计算出的地埋管内流体的平均温度，为第时刻由实际测量的地埋管中流体的平均温度，为试验测量的数据的组数；

C、不同模式测试：

a．在地层热物性测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制加热功率的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定加热功率和循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管进出口温差是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48个小时后，结束测试；

b．在地埋管换热量测试模式下，具体步骤如下：

（1）选择控制地埋管入口水温的模式；

（2）设置循环水泵2切换时间和地埋管入口水温；

（3）开启循环水泵2和电加热器3；

（4）设定循环流量；

（5）测试、存储数据；

（6）检测地埋管入口水温是否达到要求，如果未达到，则重新调整加热器功率并回到上面第（5）步，如果达到，则进入下一步；

（7）判断测试进行时间，持续48小时后，结束测试；

测试存储的数据通过软件EXCEL转换为直观的曲线图表，依据公式（1）、（2）进行计算，可以得到地层导热系数、热阻或地埋管单位井深换热量这些地埋管部分设计的重要参数。