专利名称：：基于地源热泵地埋管热交换能和阻力的测试仪及其方法
技术领域：
：本发明涉及一种基于地源热泵地埋管的热交换能力及阻力的测试仪及其方法。
背景技术：
：地源热泵系统与其它空气调节系统相比优点突出。由于地层深处温度常年维持不变，远远高于冬季的室外温度，而又明显低于夏季室外温度，因此地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，效率有很大的提高，节能效果明显。另外还具有低噪音、占地面积少、不排放污染物、不用抽取地下水、运行及维护费用低、寿命长等许多优点。地源热泵系统的设计中，在建筑物取暖和制冷所需要的荷载量确定的情况下，必须准确地知道用来提供冷热源的地埋管交换系统的热交换能力，也就是地埋管提供的热交换能力与建筑物所需的冷热荷载量相匹配。如果对地埋管提供的热交换能力不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要，也可能规模过大，从而加大初投资。确定地埋管热交换能力的传统方法是首先根据钻孔时取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过査有关手册确定导热系数。然而地下地质结构构成复杂，即使同一种土壤成分，其热交换能力相差也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而在地源热泵系统的造价中也会产生相当大的偏差。另外，不同的封井材料，埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量出地埋管的热交换能力才能准确地计算出地埋管的埋管数量，从而确定出打井数量及打井的深度。山东地源热泵研究所公开了一种基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法，公开号为CN1815211A。该发明公开的是一套测量地下岩土导热系数的装置和方法，通过测量岩土的平均导热系数，推算出岩土的热交换能力，该发明测量的主体是岩土的导热系数，与本发明测量地埋管的热交换能力完全不同。
发明内容本发明的目的就是为了解决目前在地源热泵系统的设计中对地埋管热交换能力和阻力确定难的问题，提供一种准确的现场对地埋管的冷热交换能力和阻力进行测量的测试仪及其测试方法。为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种基于地埋管的热交换能力的测试仪，包括至少一个可调温的恒温槽、一个循环水泵、一个冷热能计量变送器、一个差压变送器和一个控制系统。恒温槽的出口管B设有循环水泵，压差变送器及冷热能计量变送器分别与出口管B与进口管A相连接。恒温槽、热能变送器、差压变送器与控制系统相连接，循环水泵通过变频器与控制系统相连接。所述的可调温恒温槽组成为一个保温容器、一台循环水泵及一台热泵机组、温度传感器3和控制系统。其作用为模拟冬季从土壤取热和夏季向地下散热的工作环境，并使流体维持一个设定的工作温度。在循环泵的作用下，流体从恒温槽出口C经板式换热器换热后，由入口D流回恒温槽，这样热泵机组产生的热量或者冷量通过板式换热器，传导到恒温槽，使恒温槽维持一个设定的恒定值。当恒温槽的流体温度设定后，温度传感器3将恒温槽温度信号传送到控制系统，控制系统根据温度传感器3传送的温度与设定温度的差，启动变频热泵机组为恒温槽提供热量或者冷量，使恒温槽内温度快速向设定值靠近，当恒温槽内温度与设定温度接近时，变频热泵机组降低工作频率，控制系统依据设定温度自动调节热泵机组的工作频率从而保持恒温槽的温度恒定。所述的热泵机组型号为TSDT-VKC010，额定制热量12.5KW，额定制冷量9.9KW，控制热泵机组的变频调速器型号为AC60-S2-387G。所述的的冷热能计量变送器型号为CRL-H电磁热能变送器，包含温度传感器l、流量传感器和温度专感器2，温度传感器l、流量传感器与恒温系统出UJB相接，温度传感器2与恒温系统进口A相接。冷热能计量变送器采集流量值和温差值，进而计算出热交换功率，并以RS-485通讯方式将数据上传给上位机。所述的差压变送器型号为692，用以产生与压差值等同的脉冲信号，包括2个压力传感器，2个压力传感器分别与恒温槽进出UI管A、B相接，用以测量地埋管的阻力。所述的循环泵型号为CHL2-30,变频器用以控制循环泵液流量，变频器的型号为AC20-S2-R75G，变频器与控制系统相连接。所述的调节循环变频器的型号为VFD007E21，变频范围为0.1Hz—100Hz。所述的控制系统包括可编程控制器(PLC)单元，PLC主机型号为DVP14SS11T2，主机正面具有电源指示灯、运行指示灯和错误指示灯；M个I/0端口，输入端口用于采集开关量故障输入信号，而开出端口用于控制水泵起停、四通阀开关等，其中，一个高频输出端口控制电子膨胀阀的开启程度，l个标准RS-485通讯口用于通过GPRS无线系统与上位机通讯。在DVPPLC主机之上扩展了1台型号为DVP04PT-S的温度采集模块，用于采集地埋管供回水的温度值；扩展了一台型号为DVP04AD-S的A/D转换模块，用于测量地埋管供回水端的压差信号；扩展了一台型号为DVP04DA-S的D/A转换模块，用于控制循环水泵的变频器的输出频率，进而实现测量不同流速下的地埋管的热交换能力的目的。所述的控制系统还包括触摸屏人机界面系统。该系统通过标准的RS-485与PLC相连接，实时采集PLC所收集到的信息，在显示屏上将有用数据进行显示，同时，可以将用户在触摸屏上的相应操作通过通讯方式传送给PLC，PLC按照上位机(触摸屏)的命令进行相应工作。温度传感器3的型号为PT100温度传感器，其输出与温度相对应的标准电阻信号。一种基于地埋管热交换能力测试仪的方法在已钻好的孔中埋设地埋管，管内灌装流体，并按要求回填，将测试仪的A口和B口与地埋管的出口和入口相连接，然后使整个水系统形成闭合回路。测试仪接通电源后，在人机界面上输入流量定值和出水温度定值，通过触摸屏单击开始测试按钮，测试仪自动启动循环水泵和压縮机，使流量和温度达到设定值。系统运行稳定后，流体经管道出口B输入到埋于深层岩中的地埋管内，将恒温槽内的冷量或者热量传送到地下，流体与深层岩土进行了热交换后又回到了6测试仪，形成封闭循环。冷热能计量变送器自动采集了地埋管的出水、进水温度差AT和流量q以及对应的时间T，作为测量数据，采集几组数据后，将供回水温差和流量取平均值，再根据热功率公式P二Q/t，其中，热量Q二cXmXAT，质量iiFQXt;得P二cXqXAT。c为流体的比热系数。T为测试时间。式中，P即为测试仪所测得此地埋管的换热功率值。如果P值为正数，即为此地埋管的吸热功率，如果P值为负数，即为此地埋管的供热功率。通过差压变送器读出地埋管的进出口压力差，从而测出地埋管的阻力。有益效果本发明的有益效果为可直接读出测试仪的热交换值和阻力，进而取得最佳的循环功耗和交换能力的关系，为设计提供准确的设计参数，仪器结构紧凑、便于携带，现场运行稳定、测试数据准确，利于研究、开发地源热泵空调系统并使之产业化，是土壤源热泵系统的必备仪器。图1为本发明的测试仪结构框图图2为测试仪冷热能计量变送器连接框图图3为测试仪差压变送器连接图图4为恒温槽管口方位图图5为恒温槽恒温系统框图图6为测试仪监控系统仪表系统框图图7为测试仪监控系统中操作控制系统的电气原理图具体实施例方式下面结合附图与实施实例对本发明作进一步说明。图1中，当恒温槽的温度达到设定值并使其恒定后，由于循环泵1的作用，恒温槽内的流体经过加热或者制冷的流体由恒温槽出口B口与岩土进行了热交换后，又从A口返回到恒温槽内，形成闭合回路。由冷热能计量变送器采集温度差信号AT，流量传感器采集其流量信号q，从而计算出热量值，差压变送读出管路进出口的压力差，从而测量出管道阻力。图'2中，给出了冷热能计量变送器连接方式，冷热能计量变送器中的温度传感器1、温度传感器2分别接于恒温槽出口B及进口A管路上，流量传感器接于恒温槽出口管路B。冷热能计量变送器将数据传送给控制系统。图3中给出了差压变送器的连接方式，差压变送器中的压力传感器l、压力传感器2分别接于恒温槽出口B管和进口A管上，压力传感器l、压力传感器2分别将流体压力信号传导至差压变送器，由差压变送器读出差压信号并传送给控制系统，通过测量地埋管的压力差从而测定出地埋管的阻力。图4中给出了恒温槽中的保温容器的结构及管口方位，保温容器容积为200升，由金属制成，所用金属为不锈钢，外加保温层，设有A、B、C、D四个进出口，A、B进出口与地埋管系统相连接口，C、D进出口与供热(冷)的板式换热器相接口，E口为溢流及排气口，F口为排污口，排污口设有排污阀。图5中给出了可调温恒温槽的结构，恒温槽内设有温度传感器3，用以控制和调节恒温槽的温度，温度传感器3的型号为PT100，其输出与温度0-IO(TC相对应的标准电阻信号，并将信号传送给控制系统。恒温槽中的循环泵2型号为CHL2-20，循环泵2通过水流开关与控制系统相连接，水流开关与控制系统相连接。恒温槽中的热泵机组的型号为TSDT-VKCOIO，供热(冷)功率为IOKW，热泵机组通过变频器与控制系统相连接，用以调节热泵机组的转速，变频器的型号为AC60-S2-387G。图6中给出了测试仪的仪表系统结构，PLC主机模块具有程序存储器、数据存储器、内部时钟、14路I/0口、一路标准RS232通讯口和一个扩展总线口，通过扩展总线口扩展了温度采集模块(PT)、模拟量输入模块(A/D)和模拟量输出模块(D/A)。各路温度传感器变送传来的电阻信号，温度采集模块进行模数转换，将电阻信号转换成温度信号，再通过扩展总线口传给PLC主机模块。温度采集模块具有4个通道的12位模数转换芯片，它接收各路温度传感器变送传来的电阻信号，实行滤波和I/V变换，然后进行模数转换，得到的数字信号提供给PLC主机进行处理。8模拟量输入模块(A/D)接收差压传感器传送来的差压信号，再将电压信号进行模数/转换，将差压信号转换成数字信号通过扩展总线口传送给PLC主机模块。模拟量输出模块(D/A)将PLC主机模块写入的数字量转换成420rnA的电流信号输出给变频器的电流输入端，控制变频器的频率输出。其通讯电路为标准的RS232接口电路，用于与上位机传输测试数据。图7给出了测试仪的操作控制系统电气原理图。实施例1钻孔孔径115MM,深度60M，地埋管为PE耐压管，埋管内径25應、外径32丽，钻孔回填材料为回填土。启动测试仪内的热泵机组，调节热泵机组的工作温度为23。c，启动循环循环泵2，使恒温槽内的水与热泵机组通过板式换热器交换，使恒温槽内的温度达到23°c。在地埋管内灌满水，排尽管内空气，将测试仪出水口B与地埋管的一头相接，另一头与测试仪的回水口相接，启动循环泵l，使恒温槽与地埋管形成闭合循环。设定循环泵流量，通过热量表读取测试仪出口B及进口A的温度差AT、及热量值P，并将数据自动记录于控制系统，取其加权平均值，即得该地埋管的热交换能力，差压变送器读出该地埋管的阻力。调节循环泵的流量，分别读取进出口温度差at和流量值，计算出热交换能力，读取差压变送器的压差值，从而确定该地埋管的最大热交换能力同时阻力最小时的流量值。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从上表可得，地埋管流量控制在0.9m7h时，热交换能力达到值较大，同时阻力较小。实施例2钻孔孔径115MM，深度60M，地埋管为PE耐压管，埋管内径25薩、外径32醒，钻孔回填材料为回填土。启动测试仪内的热泵机组，调节热泵机组的工作温度为7°C，启动循环循环泵2，使恒温槽内的水与热泵机组通过板式换热器交换，使恒温槽内的温度达到7°C。在地埋管内灌满水，排尽管内空气，将测试仪出水口B与地埋管的一头相接，另一头与测试仪的回水口相接，启动循环泵l，使恒温槽与地埋管形成闭合循环。设定循环泵流量，通过热量表读取测试仪出口B及进口A的温度差AT、及热量值P，并将数据自动记录于控制系统，取其加权平均值，即得该地埋管的热交换能力，差压变送器读出该地埋管的阻力。调节循环泵的流量，分别读取进出口温度差at和流量值，计算出热交换能力，读取差压变送器的压差值，从而确定该地埋管的最大热交换能力同时阻力最小时的流量值。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从上表可得,地埋管流量控制在0.8M3/H时,热交换能力达到值较大,同时阻力较小。权利要求1、一种基于测量地源热泵地埋管热交换能力及其其阻力的测试仪，其特征是包括一个可调温的恒温槽、一个循环泵、一个差变送器、一个冷热能计量变送器和一个控制系统，在可调式恒温槽的出口管B处设有循环水泵，冷热能计量变送器及差压变送器分别与恒温槽出口管B及进口管A相连接，恒温槽、冷热能计量变送器、差压变送器分别与控制系统相连接。2、权利要求书1所述的基于测量地源热泵地埋管热交换能力及其其阻力的测试仪，其特征是，所述的恒温槽包括一个保温容器、一个循环泵，1个温度传感器、一个热泵机组，恒温槽内设有温度传感器3，恒温槽的出口管路C设有循环泵，恒温槽内的流体与热泵机组进行热交换，使恒温槽达到恒温。3、权利要求书1所述的基于测量地源热泵地埋管热交换能力及其其阻力的测试仪，其特征是所述的控制系统包括仪表系统，其组成为包括可编程控制器(PLC)单元，PLC主机型号为DVP14SS11T2，主机正面具有电源指示灯、运行指示灯和错误指示灯；14个1/0端口，输入端口用于采集开关量故障输入信号，而开出端口用于控制水泵起停、四通阀开关等，其中，一个高频输出端口控制电子膨胀阀的开启程度；1个标准RS-485通讯口用于和上位机通讯；在DVPPLC主机之上扩展了1台型号为DVP04PT-S的温度采集模块，用于采集地埋管供回水的温度值；扩展了一台型号为DVP04AD-S的A/D转换模块，用于测量地埋管供回水端的压差信号；扩展了一台型号为DVP04DA-S的D/A转换模块，用于控制循环水泵的变频器的输出频率，进而控制循环水泵的转速达到自动流量调节的目的。4、权利要求求书1所述的基于测量地源热泵地埋管热交换能力及其其阻力的测试仪，其特征是控制系统还包括触摸屏人机界面系统，通过标准的RS-485与PLC相连接，实时采集PLC所收集到的信息，在显示屏上将有用数据进行显示，同时，可以将用户在触摸屏上的相应操作通过通讯方式传送给PLC，PLC按照上位机(触摸屏)的命令进行相应工作。5、权利要求尽书2所述的恒温槽，其特征是，所述热泵机组为变频热泵机组。6、权利要求书1所述的基于测量地源热泵地埋管热交换能力及其其阻力的测试仪，其特征是，所述的循环泵为可调速的变频循环泵。7、一种基于测量地埋管热交换能力的方法，其特征为在已钻好的孔中埋设地埋管，管内灌装流体，并按要求回填，将测试仪的A口和B口与地埋管的出口和入口相连接，然后使整个水系统形成闭合回路。测试仪接通电源后，在人机界面上输入流量定值和出水温度定值，通过触摸屏单击开始测试按钮，测试仪自动启动循环水泵和压縮机，使流量和温度达到设定值。系统运行稳定后，流体经管道出口B输入到埋于深层岩中的地埋管内，流体与深层岩土进行了热交换后又回到了测试仪，形成封闭循环。热量表自动采集了恒温槽A管、B管和的出水、进水水温度差AT和流量q以及对应的时间T，作为测量数据，采集数组数据后，将供回水温差和流量取平均值，。再根据热功率公式P=Q/t，其中，热量(^cXmXAT，质量HFqXt;得P^cXqXAT。c为流体的比热系数。T为测试时间。式中，P即为测试仪所测得此地埋管的换热功率值。如果P值为正数，即为此地埋管的吸热功率，如果P值为负数，即为此地埋管的供热功率；差压变送器所读的即为地埋管的阻力。全文摘要本发明涉及一种基于地源热泵地埋管热交换能力及其阻力的测试仪及其方法。它解决了在地源热泵系统设计中对地埋管热交换能力测量不准的问题，提供了一种可以直接测试地埋管热交换能力阻力的测试试仪和测试方法。其结构为包括一个可调式的恒温槽、一个循环水泵、一个热能变送器、一个差压变送器、和一个控制系统。恒温槽的出口管B设有循环水泵，压差表及热能表分别与出口管B与进口管A相连接。恒温槽、冷热能计量变送器、差压表与控制系统相连接，循环水泵通过变频器与控制系统相连接。文档编号G01M99/00GK101587023SQ20081021135公开日2009年11月25日申请日期2008年9月23日优先权日2008年9月23日发明者徐白路,李海泉,杜喜良申请人:唐山市地源热泵有限公司