现场热物性测试仪标定装置的制作方法

本实用新型涉及地源热泵技术领域，尤其涉及一种现场热物性测试仪标定装置。

背景技术：

浅层地热能具有储量巨大、再生迅速、分布广泛、温度四季适中的特点，开发利用浅层地热能，对能源供应的提高，能源结构的优化，及保护生态环境有重要意义。

地源热泵是浅层地热能资源的主要利用途径，由于我国地热水匮乏，水资源严重短缺，因此地源热泵技术受到广泛重视。在对地源热泵系统进行地埋管换热器设计时，如果埋管的数量设计偏少，系统的制热制冷量不足，使热泵机组运行不稳定，影响系统使用寿命；如果设计偏多，则造成初步投资的增加和土壤资源的损失。因此，地埋管换热器是地源热泵系统设计的重点。地埋管换热器的设计需获取岩土热物性参数，其准确性直接关系到系统的投资及性能。

现有的岩土热物性参数确定方法中以现场热响应测试法最为准确和普遍。现场热响应测试通过现场热物性测试仪来实现，这样就可以避免现场因素影响造成的误差，使测量计算的结果更准确。所以现场热物性测试仪的测量精度和准确度对测试结果有很大的影响。

因此，实现对现场热物性测试仪的标定，保证现场热物性测试仪的测量精度和准确度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种现场热物性测试仪标定装置，对现场热物性测试仪的测试精度和准确度进行检测和标定，使现场热物性测试仪达到规范要求，从而提高地埋管换热器设计的准确性，实现地源热泵系统的节能和高效运行。

本实用新型采用如下技术方案：

一种现场热物性测试仪标定装置，包括沙箱地埋管环路和外部管路；

沙箱地埋管环路包括沙箱(1)，所述沙箱(1)中填满均匀细沙，沙箱中心水平放置钻孔，钻孔中埋入单U型地埋管；其中，所述细沙和钻孔内的回填材料的热物性参数已知；

外部管路包括第一温度传感器(2)、流量计(3)、第一三通阀(5)、循环水泵(6)、水箱(7)、第二三通阀(9)、第二温度传感器(10)、数据采集装置(11)，其中，循环水泵(6)的出口与水箱(7)的进口连接，所述水箱(7)的出口经第二三通阀(9)与单U型地埋管的进口连接；所述单U型地埋管的出口经第一三通阀(5)与所述循环水泵(6)的入口连接；第一温度传感器(2)和流量计(3)设于所述单U型地埋管的出口与第一三通阀(5)之间，第二温度传感器(10)设于所述第二三通阀(9)与单U型地埋管的进口之间；所述第一温度传感器(2)、流量计(3)和第二温度传感器(10) 均与数据采集装置(11)连接；

待标定的热物性测试仪(4)进口和出口分别通过与第一三通阀(5)的第三个接口和第二三通阀(9)的第三个接口连接并入外部管路。

进一步地，所述沙箱1顶部开口，在沙箱上方一定距离设置喷淋装置(12)；沙箱 (1)底部具有一定斜度，朝向水箱一侧倾斜，砂箱朝向水箱一侧的下方还设有排水口，水箱外设有排水沟。

进一步地，所述喷淋装置(12)为一排水管，排水管上打喷淋孔，所述排水管与地表上的水管相连接。

进一步地，所述沙箱1中还设有与数据采集装置(11)连接的第三温度传感器。

进一步地，所述水箱(7)中设置加热器。

进一步地，所述循环水泵(6)和水箱(7)之间还设有补水箱(8)。

进一步地，所述沙箱(1)一侧留有抽拉式检修门，方便后期的填砂和排砂。

进一步地，沙箱(1)体外墙利用保温泡沫板和水泥砂浆制成。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的标定装置由沙箱地埋管环路和外部管路构成，其中外部管路设有水箱，和连接多个传感器的数据采集装置，用以获取标定所依据的标准数据；待标定热物性测试仪通过三通阀连接到标定装置中，用以获取实际测试数据，基于二者之间的差别进行测试仪标定，保证了热物性测试仪的精度。

2、本实用新型通过安装喷淋装置以及设置沙箱底部倾斜，模拟地表径流情景，通过真实场景的还原，为现场热物性测试仪标定的精度提供了保障。

3、本实用新型的标定装置具备多种标定方法，可以根据实际应用情况进行选择。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型现场热物性测试仪标定装置系统图；

图2是本实用新型现场热物性测试仪标定装置中沙箱内部的钻孔大样图，比例尺 1:10；

图3是本实用新型图2沙箱内部的钻孔的剖面图。

图中，1沙箱；2第一温度传感器；3流量计；4测试仪；5第一三通阀；6循环水泵；7水箱；8补水箱；9第二三通阀；10第二温度传感器；11数据采集装置；12喷淋装置；13PE32管；14混凝土管。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/ 或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种现场热物性测试仪标定装置。

如图1所示，该装置包括：沙箱地埋管环路和外部管路。

沙箱地埋管环路包括沙箱1，所述沙箱1中填满热物性参数已知的均匀细沙，沙箱中心水平放置钻孔，钻孔采用水泥预制，水泥的热物性参数已知，钻孔中埋入PE材料的单U型地埋管；沙箱1顶部开口，设有可拆卸的隔热挡板；在沙箱1上方一定距离设置喷淋装置12。所述喷淋装置为一喷水管，其上打有喷淋孔，喷水管与地面上的水管相连接；沙箱1底部具有一定斜度，朝向水箱7一侧倾斜，沙箱1朝向水箱7一侧的下方设有排水口，水箱外设有排水沟。沙箱1一侧留有抽拉式检修门，方便后期的填砂和往外排砂以及传感器等设备的检修。沙箱1外墙利用保温泡沫板和水泥砂浆制成。沙箱1 中还设有与数据采集装置11连接的第三温度传感器。

外部管路包括第一温度传感器2、流量计3、第一三通阀5、循环水泵6、水箱7、第二三通阀9、第二温度传感器10、数据采集装置11，其中，循环水泵6的出口与水箱 7的进口连接，所述水箱7的出口经第二三通阀9与单U型地埋管的进口连接；水箱7 中设置加热器；所述单U型地埋管的出口经第一三通阀5与所述循环水泵6的入口连接；第一温度传感器2和流量计3设于所述单U型地埋管的出口与第一三通阀5之间，第二温度传感器10设于所述第二三通阀9与单U型地埋管的进口之间；所述第一温度传感器2、流量计3和第二温度传感器10均与数据采集装置11连接；循环水泵6和水箱7 之间还设有补水箱8。

所述待标定的热物性测试仪4进口和出口分别通过与第一三通阀5的第三个接口和第二三通阀9的第三个接口连接并入外部管路。

待标定的热物性测试仪4进口和出口分别通过第一三通阀5的第三个接口和第二三通阀9的第三个接口连接。

本实施例中，沙箱1的尺寸为2.55×2.55×21m，其主体结构为钢筋混凝土，厚度为250mm；沙箱1里填满的均匀细沙用于替代地下岩土；沙箱1中心水平放置的钻孔了采用一个直径15cm的水泥柱，钻孔内插入单U型地埋管，U型管水平放置，其轴线与水泥柱中心重合。所述沙箱1一侧留有抽拉门，方便后期的填砂和往外排砂。为避免室内环境对沙箱的影响，沙箱1体外墙需做保温处理，利用保温泡沫板和水泥砂浆完成。保温板的厚度为50mm。

可选地，为了对渗流情景下的热物性测试仪实现标定，所述沙箱1顶部开口，在沙箱上方一定距离设置喷淋装置12；所述喷淋装置为一排水管，排水管上打喷淋孔，所述排水管与地表上的水管相连接。本实施例中，将排水管设置在沙箱上方1m～1.5m处。喷淋装置12来模拟地下渗流。

此时，沙箱1底部具有一定斜度，坡度为i＝0.005坡向水箱一侧；砂箱朝向水箱一侧的下方设有排水口，便于进行有渗流实验时的排水。

所述水箱7中设置加热器，用于加热水箱中的水。

可选地，所述循环水泵6和水箱7之间还设有补水箱8，用于弥补标定装置运行时水在管道连接处等地方的流失。

根据不同的情景或标定依据，所述标定装置的使用方法参见实施例二-五。

实施例二

本实施例采用沙箱中已知的沙子和回填材料热物性参数作为标定的依据，提供了一种采用实施例一中标定装置的热物性测试仪标定方法，包括以下步骤：

步骤1：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使待标定的热物性测试仪4和沙箱1之间连通,关闭与水箱(7)和泵(6)的连通；

步骤2：启动待标定的热物性测试仪4，使热物性测试仪4内部的水通过沙箱1内的单U型地埋管循环流动；

步骤3：利用热物性测试仪4内部自带仪表(温度、流量传感器)测量并记录温度、流量和功率等参数作为测试数据；

步骤4：利用所得测试数据和已知的数学模型，估算沙箱1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤5：将所述估算出的参数与已知的沙子和回填材料的热物性参数进行比对，以标定所述热物性测试仪4。

实施例三

本实施例采用所述标定装置测得的热物性参数作为标定的依据，提供了采用实施例一中标定装置的热物性测试仪标定方法，包括以下步骤：

步骤1：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使水箱7和沙箱1之间连通，使标定装置中注满水；

步骤2：打开循环水泵6，驱动所述标定装置管路中的水流动，并且控制加热器以固定功率对水箱7中的水进行加热；利用数据采集装置11采集第一温度传感器2、流量计3、第二温度传感器10测得的温度、流量等参数作为测试数据；

步骤3：根据数据采集装置11采集的测试数据和给定数学模型，估算沙箱1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤4：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使待标定的热物性测试仪4和沙箱1之间连通；

步骤5：启动待标定的热物性测试仪4，使热物性测试仪4内部的水通过沙箱1内的U型地埋管循环流动；利用热物性测试仪4内部自带仪表(温度、流量传感器)测量并记录温度、流量和功率等参数作为测试数据；

步骤6：根据待标定的热物性测试仪4测得的测试数据和给定数学模型，估算沙箱1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤7：将步骤6与步骤3计算得到的热物性参数进行比对，以标定热物性测试仪的内部自带仪表。

测试时，首先在系统中注满水，对检测平台进行性能调试。当检测平台各方面运行正常时，方可进行热物性测试仪的检测。将待测设备在检测台上做试运转试验，将检测台与待测设备连接好，调整阀门连通整个环路运行，此时循环水泵(5)关闭，流体从沙箱(1)中流出后经过三通阀(4)进入到待测设备中，后经三通阀(4)流回到沙箱 (1)进行换热中。检查设备之间的通讯、数据采集和输出是否正常，以及有无漏水的地方，若一切正常运行工作之后，方可进行设备的性能检测。将待测设备测得的石英砂的热物性参数与已知精确的数据进行对比分析，比较待测设备测试的误差和准确性。

实施例四

本实施例采用数据采集装置11采集的沙箱内指定点的温度数据作为标定的依据，提供了一种在有地下水渗流情况下，采用实施例一中所述标定装置的热物性测试仪标定方法，包括以下步骤：

步骤1：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使待标定的热物性测试仪4和沙箱1之间连通,关闭与水箱7和泵6的连通；

步骤2：启动喷淋装置12，利用数据采集装置11采集第三温度传感器测得的沙箱内指定点的温度数据；一定时间后，启动待标定的热物性测试仪4，使热物性测试仪4 内部的水通过沙箱1内的单U型地埋管循环流动；

步骤3：利用热物性测试仪4内部自带仪表(温度、流量传感器)测量并记录温度、流量和功率等参数作为测试数据；

步骤4：利用所得测试数据和已知的数学模型，估算沙箱1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤5：根据步骤3估算的参数和已知模型，计算沙箱内部细沙的温度场分布，得到所述指定点的温度值。

步骤6：将所述指定点的温度值与数据采集装置11测得的该点的温度值比对，以标定热物性测试仪4。

实施例五

本实施例采用所述标定装置测得的热物性参数作为标定的依据，提供了一种采用实施例一中标定装置的地下渗流状况下热物性测试仪标定方法，包括以下步骤：

步骤1：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使水箱7和沙箱1之间连通，使标定装置中注满水；

步骤2：启动喷淋装置12，打开循环水泵6，驱动所述标定装置管路中的水流动，并且控制加热器以固定功率对水箱7中的水进行加热；利用数据采集装置11采集第一温度传感器2、流量计3、第二温度传感器10测得的温度、流量等参数作为测试数据；

步骤3：根据数据采集装置11采集的测试数据和给定数学模型，估算沙箱1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤4：控制第一三通阀5和第二三通阀9的开关，使待标定的热物性测试仪4和沙箱1之间连通；

步骤5：一定时间后(本实施例中为30分钟)，启动待标定的热物性测试仪4，使热物性测试仪4内部的水通过沙箱1内的U型地埋管循环流动；利用热物性测试仪4内部自带仪表(温度、流量传感器)测量并记录温度、流量和功率等参数作为测试数据；

步骤6：根据待标定的热物性测试仪4测得的测试数据和给定数学模型，估算沙箱 1内沙子和/或钻孔内回填材料的热物性参数；

步骤7：将步骤6与步骤3计算得到的热物性参数进行比对，以标定现场热物性测试仪4。

本实用新型分别采用水箱和热物性测试仪连接地埋管管路，用以获取用于标定参照的标准数据和实际测试数据，基于二者之间的差别进行测试仪标定，保证了热物性测试仪的精度。本实用新型适用于不同场景的测试仪标定，为现场热物性测试仪标定的精度提供了保障。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。