专利名称：地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置与方法
技术领域：
本发明涉及地源热泵系统技术领域。
背景技术：
地源热泵利用安装在能源井内的换热器冬季从周围土壤中提取热量满足室内供暖需求，夏季把室内热量排入周围土壤中完成室内制冷。参见图6，为地源热泵系统示意图。受土壤热容量及周围土壤换热速率的影响，每口能源井中的换热器只能从有限的半径范围内取得能量。如果不能掌握能源井使用过程中温度影响半径，在设计施工过程中，要么把能源井间距设置的过大，占用较多的土地，要么把能源井的间距设置的过小，土壤换热情况恶化，影响使用效果。在设计与施工过程中，合理布置能源井间距以达到土地资源利用的最大化又不牺牲能源井换热效率就显得尤为重要。但是当前对于地下换热器所处的能源井内土壤温度变化及温度扩散半径的研究都是基于理论计算，理论计算过程中，受计算速度及传热方程的限制，多数模型忽略掉土壤内部水分迁移及所有接触热阻引起的影响，把U形管等效为单管或者看作两个独立的柱热源考虑，最接近实际的理论模型目前也只能做到准三维，不能够准确反映实际状况。在实验测试时，由于土壤的腐蚀性，传感器铠装直埋后，引出线老化很快，会导致短路而失去测试功能，并且在回填过程中，由于没有保护措施，引出线很容易被损坏。到目前还未见有任何能够达到本技术指标的测试技术。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有技术的缺位，解决现有技术无法准确估算并无法有效测量地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径的不足，提出了一种地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，提供了浅层地热使用情况的实际测试技术，以更好的了解地下温度场分布特征及使用过程中的变化情况。并利用这套装置提供了对地下能源井及周围土壤温度变化情况进行测量的方法，准确了解地源热泵系统地下换热情况，为地下换热系统的设计与施工提供更好的依据。
为了实现以上目的，本发明所采用的地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，包括埋在土壤中的温度测量部件1以及与其顺次连接的温度采集部分2、温度显示部分3；特征在于温度测量部件1包括温度传感器5和管子4，温度传感器5置于管子4内部，一端通过连接温度传感器5的引出线9与地面上的温度采集部分2相连，另一端通过设置在管子4上的孔引出到管子4外部与土壤7接触；温度传感器5与管子4上的孔之间以及管子4两端开口处用封装材料6密封，使管子4内部与土壤或者水隔离。
管子4采用不锈钢管或塑料管或日丰管。
管子4的内径为5～40mm。
管子4为多根管子连接而成。
温度传感器5露出土壤的部分使用不锈钢材料铠装。
封装材料6为遇水膨胀橡胶。
采用本发明的测试装置，可以利用现有传感器直接测量能源井内温度，铠装保护防止传感器老化腐蚀，不会产生传感器老化导致的测量精度衰减问题，延长了使用寿命；封装材料6与封装管子4的结合使用，防止水分进入管内，避免引出线受到腐蚀，能够更好的长期使用；在回填过程中，由于传感器引出线在管子内部，不会受到任何损害。
利用本发明的测试装置所采用的测试方法，是一种利用温度传感器完成对地源热泵能源井中不同深度的温度及温度扩散半径的测量方法，其特征在于，它是按以下步骤进行的1.制作温度测量部件1)在管子4上根据温度传感器5的直径钻孔，相邻孔间距离为2～10米；2)通过管子4上的孔安装温度传感器5，并把温度传感器5的引出线通过管子内部引出，将多根管子采用公知的方法连接起来，并将引出线从所有管内引出；3)在安装温度传感器5的部位及管子最底端及最上端开口处用封装材料6封装。
2.安装温度测量部件到能源井并与温度采集系统及显示系统连接1)在能源井周围打测试井，测试井中心与能源井中心在同一直线上或测试井沿能源井的径向分散布置，如图3、4所示；把封装有传感器的管子安装到能源井10和其他测试井中，最上端传感器离地面不小于5米；2)用公知的回填方法对安装好温度测量部件的井完成回填；3)将引出线与温度采集系统2连接；4)将温度采集系统2与温度显示系统3连接。
3.测量能源井内温度变化及扩散半径1)在地源热泵运行前，记录每口井内不同深度土壤温度，对同一口井中不同深度温度值取算术平均值，把它作为该井的初始温度；
2)记录运行过程中所有温度传感器采集的温度值，获得地源热泵系统运行过程中能源井内及其周围土壤温度变化趋势；3)能源井出水温度稳定后，计算每个井中不同深度温度传感器采集温度值的算术平均值，作为该井在系统稳定后的温度；4)计算每口井初始温度与系统稳定后的温度之差，以差值超过初始温度15％、距离能源井最远的测试井与能源井的间距作为影响半径。
采用本发明的测试方法，利用现有物质基础解决了地源热泵技术中深层土壤的温度测量问题，利用该方法简便易行，便于操作，获得的数据能够很好的用于地源热泵技术的设计施工，具有很高的经济价值。
图1地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置示意图；图2本发明的温度测量部件；图3本发明的测试装置直线安装位置图；图4本发明的测试装置分散安装位置图；图5本发明实施例中测试装置安装位置图；图6地源热泵系统能源井部分示意图；图中，1-温度测量部件 2-温度采集部分 3-温度显示部分 4-管子 5-温度传感器 6-封装材料 7-土壤 8-回填材料 9-引出线 10-能源井 11～16-测试井中的温度测量部件 17-热泵机组。
具体实施例方式
北京工业大学高科技能源楼使用地源热泵系统，在测量地下温度的变化及温度扩散半径时，安装了6组温度测量部件，如附图5所示，其中，温度测量部件12和15分别安装在两个能源井10内，这样可以减少井的数量，节约成本，其它的安装在专门的测试井内，两个能源井间距为5米，温度测量部件14安装在两个能源井中间，温度测量部件11安装在温度测量部件14的正上方2米处，温度测量部件13安装在温度测量部件14正下方3米处，温度测量部件16安装在能源井10正下方2米处。井的深度为60米，每个测试井里包含5个温度传感器，传感器沿井的径向间距10米，最上端的温度传感器距地面的距离为10米，温度传感器是铠装铂电阻，温度采集部分为HP34970A数据采集仪，将数据采集仪自带的测量软件安装在电脑中，使用电脑显示采集的数据。温度测量部件11～13使用的是不锈钢管，温度测量部件14～16号测试系统使用的是聚乙烯管(PE80)，管径都是DN32，封装材料使用的是遇水膨胀橡胶，并在封装出管外涂上一层玻璃胶。在测量井内温度变化及温度扩散半径时，右侧的能源井10充当测试井，地源热泵系统运行时，关闭它的水路，只充当测试井。冬季在地源热泵系统运行的过程中，左侧能源井10内的地源热泵系统中的能量提取换热器不断将周围土壤中的热量带走，左侧能源井10和周围的测试井内的温度逐渐降低，从左侧能源井中的温度测量部件12可获得能源井温度变化情况，按照上述的测试方法，可得到温度扩散半径。
权利要求
1.一种地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，包括埋在土壤中的温度测量部件(1)以及与其顺次连接的温度采集部分(2)、温度显示部分(3)；其特征在于温度测量部件(1)包括温度传感器(5)和管子(4)，温度传感器(5)置于管子(4)内部，一端通过连接温度传感器(5)的引出线(9)与地面上的温度采集部分(2)相连，另一端通过设置在管子(4)上的孔引出到管子(4)外部与土壤(7)接触；温度传感器(5)与管子(4)上的孔之间以及管子(4)两端开口处用封装材料(6)密封，使管子(4)内部与土壤或者水隔离。
2.根据权利要求1所述的地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，其特征在于管子(4)采用不锈钢管或塑料管或日丰管。
3.根据权利要求1或2所述的地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，其特征在于管子(4)的内径在5～40mm。
4.根据权利要求1所述的地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，其特征在于温度传感器(5)露出土壤的部分使用不锈钢材料铠装。
5.根据权利要求1所述的地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置，其特征在于封装材料(6)为遇水膨胀橡胶。
6.一种地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置的测试方法，是一种利用温度传感器完成对地源热泵能源井中不同深度的温度及温度扩散半径的测量方法，其特征在于，它是按以下步骤进行的1)制作温度测量部件；2)安装温度测量部件到能源井并与温度采集系统及显示系统连接①在能源井周围打测试井，测试井中心与能源井中心在同一直线上或测试井沿能源井的径向分散布置；把封装有传感器的管子安装到能源井(10)和其他测试井中，最上端传感器离地面不小于5米；②用公知的回填方法对安装好温度测量部件的井完成回填；③将引出线与温度采集系统(2)连接；④将温度采集系统(2)与温度显示系统(3)连接；3)测量能源井内温度变化及扩散半径①在地源热泵运行前，记录每口井内不同深度土壤温度，对同一口井中不同深度温度值取算术平均值，把它作为该井的初始温度；②记录运行过程中所有温度传感器采集的温度值，获得地源热泵系统运行过程中能源井内及其周围土壤温度变化趋势；③能源井出水温度稳定后，计算每个井中不同深度温度传感器采集温度值的算术平均值，作为该井在系统稳定后的温度；④计算每口井初始温度与系统稳定后的温度之差，以差值超过初始温度15％、距离能源井最远的测试井与能源井的间距作为影响半径。
7.根据权利要求6所述的一种地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置的测试方法，其特征在于所述的制作温度测量部件的方法是按以下步骤进行的①在管子(4)上根据温度传感器(5)的直径钻孔，相邻孔间距离为2～10米；②通过管子(4)上的孔安装温度传感器(5)，并把温度传感器(5)的引出线通过管子内部引出，将多根管子采用公知的方法连接起来，并将引出线从所有管内引出；③在安装温度传感器(5)的部位及管子最底端及最上端开口处用封装材料(6)封装。
全文摘要
地源热泵能源井温度变化及温度扩散半径测试装置与方法，涉及地源热泵系统技术领域。该装置是将温度传感器(5)封装在管子(4)内，一端通过引出线(9)与地面上的温度采集部分(2)相连，另一端通过设置在管子(4)上的孔引出到管子外部与土壤(7)接触；温度传感器与管子上的孔之间以及管子两端开口处用封装材料(6)密封，使管子内部与土壤或水隔离。利用本装置测量能源井初始温度与系统稳定后的温度，以温度差值超过初始温度15％、距离能源井最远的测试井与能源井的间距作为影响半径。本发明的装置可以防止温度传感器受到腐蚀，使用提供的测试温度扩散半径的方法可以获得合理布置能源井的最佳间距以达到土地资源利用的最大化。
文档编号G01K1/10GK1699941SQ20051008422
公开日2005年11月23日 申请日期2005年7月18日 优先权日2005年7月18日
发明者马重芳, 魏加项, 唐志伟, 张宏宇, 刘文学 申请人:北京工业大学