地源热泵地下换热器的换热量测试仪

摘要

一种地源热泵地下换热器的换热量测试仪，涉及地源热泵地下换热量的现场测试装置。本发明主要包括：埋设于地下的换热器和设置于地上的内有加热器和制冷器的水箱以及内装有五个数字显示仪表的仪表箱。本发明具有结构简单，操作简便，能测试地源热泵地下换热器的散热量或吸热换热量，测量准确且精度高，并能调节地下换热器的埋设深度、埋设装置进水流量、进水温度等参数进行测试。本发明可广泛用作地源热泵地下换热器的散热或吸热换热量基础数据的测试，为地源热泵系统工程的设计、施工及运行提供可靠、全面、准确的基础数据。

权利要求

1.一种地源热泵地下换热器的换热量测试仪，主要包括设置于地上的水箱(1)和埋设于地下的换热器(9)，其特征在于还有仪表箱(11)，地下换热器(9)为U形管，水箱(1)为有顶盖的方形或长方形的容器，在水箱(1)一侧的上部设置有出水口，水箱(1)出水口通过出水管(3)，并依次经过控制阀(5)、温度传感器(6)、流量传感器(7)、循环水泵(8)和压力表(15)，与地下换热器(9)的一端口固接，在水箱(1)的另一侧下部设置有进水口，水箱(1)进水口通过进水管(4)，并依次经控制阀(5)、温度传感器(6)和压力表(15)，与地下换热器(9)的另一端固接，在水箱(1)上部顶盖上还设置有补水口(12)，水箱(1)补水口(12)利用被测试地点附近的市政水管网，通过水管向水箱(1)补水，在水箱(1)上部设置有溢流口，溢流口通过溢流水管(13)流出，在水箱(1)内底部靠出水口一侧设置有排水口，水箱(1)排水口通过排水管(14)，并经控制阀(5)排水，在水箱(1)内的出水口旁设置有水位传感器(10)和温度传感器(6)，在水箱(1)内的下部装设有加热器及制冷器(2)，仪表箱(11)为方形或长方形容器，在仪表箱(11)内，装设有一个水位数字显示仪表和三个温度数字显示仪表以及一个流量数字显示仪表共五个数字显示仪表，仪表箱(11)内的五个数字显示仪表，分别通导线，并分别对应地与水箱(1)内的水位变化传感器(10)及温度传感器(6)、出水管(3)的温度传感器(6)及流量传感器(7)、进水管(4)的温度传感器(6)连接。

2.按照权利要求1所述地源热泵地下换热器的换热量测试仪，其特征在于：地下换热器(9)为U形PE管，埋设与地下100米处，水箱(1)为有顶盖的方形塑料容器，水箱(1)出水口通过塑料出水管(3)，并依次经过球型控制阀(5)、温度传感器(6)、流量传感器(7)、循环水泵(8)和压力表(15)，与地下U形PE管换热器(9)的一端通过螺纹固接，水箱(1)进水口通过塑料进水管(4)，并依次经过球型控制阀(5)、温度传感器(6)和压力表(15)，与地下U形PE管换热器(9)的另一端通过螺纹固接，水箱(1)溢流口通过塑料溢流水管(13)引出，水箱(1)排水口通过塑料排水管(14)，并经过球型控制阀(5)排水，仪表箱(11)为长方形透明塑料容器，其背面为通过螺纹固接的板面，在仪表箱(11)内，从左至右，依次装设有一个水位数字显示仪表、两个温度数字显示仪表、一个流量数字显示仪表及一个温度数字显示仪表共五个数字显示仪表。

3.按照权利要求1所述地源热泵地下换热器的换热量测试仪，其特征在于：地下换热器(9)为U形铝塑复合管，埋设与地下50米处，水箱(1)为有顶盖的长方形铁质容器，水箱(1)出水口通过镀锌钢管出水管(3)，并依次经过球型控制阀(5)、温度传感器(6)、流量传感器(7)、循环水泵(8)和压力表(15)，与地下U形铝塑复合管换热器(9)的一端通过螺纹固接，水箱(1)进水口通过镀锌钢管进水管(4)，并依次经过球型控制阀(5)、温度传感器(6)和压力表(15)，与地下U形铝塑复合管换热器(9)的另一端通过螺纹固接，水箱(1)溢流口通过镀锌钢管溢流水管(13)流出，水箱(1)排水口通过镀锌钢管排水管(14)，并经过球型控制阀(5)排水，仪表箱(11)为方形透明塑料容器，其背面为通过螺纹固接的板面，在仪表箱(11)内，五个数字显示仪表分两排装设，上排装设一个水位数字显示仪表和一个温度数字显示仪表，下排依次装设一个温度数字显示仪表和一个流量数字显示仪表及一个温度数字显示仪表。

说明书

一、技术领域：

本发明属于地源热泵系统的测试技术领域，特别涉及地源热泵地下换热器换热量的现场测试装置。

二、背景技术：

据不完全统计，目前我国建筑能耗已达到总能耗的27.5％，而且，这一数字还将随着我国建筑行业的迅猛发展而不断增加。因此，随着节能减排基本国策的树立，建筑节能工作的开展也显得更加的意义重大。按照国家关于实现建筑节能65％的目标规划，除了改进建筑围护实现节能30％～35％外，在能耗设备系统上也要实现节能30％以上。而可再生能源的利用，无疑可以很有效的实现设备系统方面的节能比例。根据研究表明，利用土壤源地源热泵等可再生能源的空调系统，由于冷热源侧具有常年较为稳定的温度场，且具有明显的温度优势，因此可有效实现空调系统节能35％～40％。

对于土壤源地源热泵系统，由于在地下50～100m深处，地下土壤温度常年维持在20℃左右，这对于夏季降低空调系统的冷凝温度、冬季提升空调系统的蒸发温度具有显著的效果，因此，利用土壤作为冷热源的热泵空调系统，其制冷及制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，可实现节能35％～40％。然而，由于利用土壤作为空调系统冷热源的土壤源地源热泵系统，其具体运行工况和制冷制热量是与系统的地下换热器的换热量紧密相连的。地下换热器的换热效果直接影响到系统冷热水机组的运行工况、制冷制热量以及系统的设计原则。由此可见，地下换热器的换热量的确定对于该类工程的科学实施起着至关重要的作用。而地下换热器的换热量是与各个工程所在地的地质土壤结构、系统运行流量等因素有关，其根据不同的工程特性而不同，因此必须根据工程实际情况采取实测的方法予以确定。目前，国内大量的此类工程在设计计算时均采用国外的工程经验值或根据计算得到的理论值，尚缺乏实际工程测试值。为了保证土壤源地源热泵系统的正常运行和合理设计，在工程进行之初，严格采用科学的方法对工程所在地地下换热器的换热量进行现场测试，方能保证土壤源地源热泵系统长期稳定的运行和经济合理的设计。因此，首先要解决地源热泵地下换热器热量现场测试装置这一个难题。

现有地源热泵地下换热器换热量现场测试装置，如专利号为ZL200520113955.4的“一种用于地源热泵系统能源井的温度测量装置”专利。公开的装置由温度测量部分和温度采集部分(即数据采集仪)及温度显示部(即电脑显示并储存)，其温度测量部分为内部装设有温度传感器且两端密封的管子，放入被测能源井中，管子内的温度传感器直接测量温度井内的温度，该装置只能测量土壤浅层地热温度场的分布及变化情况，不能作为地源热泵地下换热装置的现场测量，不能进行地下换热器换热量、地下换热器单位长度换热量的测试，更不能为利用土壤源实现房屋空调系统节能提供可靠而完整的基础数据。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有地源热泵地下换热器换热量现场测量装置的不足之处，提供一种地源热泵地下换热器换热量测量仪。具有使用方便、操作简单、成本低、测量准确、精度高、可调节运行工况、能为利用土壤源实现房屋空调系统节能的设计、施工及运行，提供可靠而完整的基础数据等特点。

本发明的目的是这样实现的：一种地源热泵地下换热器的换热量测试仪，主要包括埋设于地下的换热器和设置于地上的水箱及仪表箱等。地下换热器为U形管，埋设于地下的深度根据测试的要求而定。水箱为有顶盖的方形或长方形的容器，这样既保证水箱内水质的清净，又方便水箱内设备(如加热器及制冷器、传感器等)的检修。在水箱一侧的上部设置有出水口，水箱出水口通过出水管，并依次经过控制阀、温度传感器、流量传感器、循环水泵和压力表与地下换热器的一端口固接，在水箱的另一侧下部设置有进水口，水箱进水口通过进水管，并依次经控制阀、温度传感器和压力表与地下换热器的另一端固接，循环水泵用以促进水箱内的水在地下换热器内的循环，进出水管中的温度传感器及流量传感器，用来分别检测水箱内的进、出温度及出水流量(即地下换热器的出、进水温及水流量)。进出水管的压力表用来监视地下换热器的进出水压力，以保证地下换热器中水的正常循环。在水箱上部顶盖上还设置有补水口，水箱补水口利用被测试地点附近的市政水管网，通过水管向水箱补水，保证水箱内的正常水位，以利水箱出水管顺畅出水。在水箱上部设置有溢流口，水箱溢流口通过溢流水管流出并引入盛水器中，以防止水箱的溢流水乱流，并收集溢流水再利用。在水箱底部靠出水口一侧设置有排水口，水箱排水口通过排水管并经控制阀排水，以便测试完毕时排出水箱中的水及清洗水箱排污之用。在水箱内的出水口旁设置有水位传感器和温度传感器，以便监测水箱内的正常水位和水箱内的水温。在水箱内的下部装设有加热器及制冷器，以便按测试的要求对水箱内的水进行加热或冷却，用来测试地下换热器的散热或吸热的换热量。

仪表箱为方形或长方形容器，在仪表箱内，装设有一个水位数字显示仪表和三个温度数字显示仪表以及一个流量数字显示仪表共五个数字显示仪表。五个数字显示仪表，分别通过导线，并分别对应地与水箱内的水位传感器和水温传感器及水箱进、出水管的温度传感器以及水箱出水管的流量传感器连接，用以显示上述各处的水位、水量、流量的监测数，以便通过人工或单片机计算器地下换热器的散热或吸热的换热量及其单位长度的换热量，以及被测土壤的平均传热系数等地源热泵系统的基础数据。

本发明的使用过程：

1、测试的准备。先将换热器埋设于测试要求深度的地中，再将水箱内的进、出水管分别与地下换热器的两度固接，并关好进出水管的控制阀，利用测试地点附近的市政管网对水箱进行补水至正常水位，再打开水箱出水管的控制阀和进水管的控制阀，设置水箱的出水温度后，开启水箱内的加热器，待水箱的水温达到设定值时，开启循环水泵并调节水流量至设定值，测试准备完毕，可开始测试工作。

2、进行测试记录。在测试工作开始后，测试系统进行稳定(即观察仪表箱内的水箱的进、出水温稳定)后，开始进行测试记录，每隔一小时，记录一次水箱出水管的水温及流量和水箱进水管的水温，连续记录8-12个小时，确保测试数据的准确性。

3、计算。根据测试记录的准确数据，通过人工或者单片机，按照下列计算公式进行计算：

(1)地下换热器的散热换热量Q1：

Q＝CP×ρ×L×Δt

式中，Q1-地下换热器换热量，kw；

Cp-水的比热，kJ/kg·℃；

ρ-水的密度，kg/m3；

L-循环水流量，m3/s；

Δt-水箱的出水与进水温差，℃。

(2)地下换热器单位长度的平均散热换热量q1：

q＝Q/l

式中，q-地下换热器单位长度平均散热换热量，kw/m；

l-地下换热器的埋管深度，m。

(3)被测土壤的平均散热的传热系数K1

$K=\frac{Q}{l\times |t_p-t_0|}$

式中，K1-土壤平均传热系数，kw/(m·℃)；

tp-水箱的出水、进水平均温度，℃；

t0-土壤的原始温度，℃。

用同样的方法，开启水箱内的制冷器，进行测试后，计算出地下换热器的吸收换热量Q2，和地下换热器的平均吸热换热量q2及被测试土壤的平均吸热的传热系数K2。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1、测量准确、精度高。本发明采用热水循环测量地下换热器散热量；采用冷水循环测量地下散热器的吸热量；采用传感器测量循环系统的水温、流量等。在循环水的水温稳定运行条件下，每隔1小时记录一次循环水的流量、水箱的水温及水箱进、出水的水温，连续记录8～10小时，然后通过人工或单片机进行计算，计算出地下散热器的总换热量(即吸热量和散热量)、和单位长度的换热量及被测土壤的平均传热系数等地源热泵系统的基础数据，测量准确、精度高，便于地源热泵系统的工程设计、施工及运行。

2、可根据不同的运行工况要求，调节地下换热器的埋设深度、埋设位置、进水流量(即水箱的出水流量)、进水温度(即水箱的出水温度)等参数进行测试，其测试结果能全面反应地源热泵地下换热器的散热或吸热换热量的实际情况。

3、结构简单、成本低。本发明由水箱、水泵、控制阀、水管构成循环水系统，由水位、水温、流量传感器及其数字显示仪表构成测量显示系统，结构简单、使用方便、成本低廉。

4、操作简单、测量成本低。本发明采用人工或单片机进行计算，操作简单，测量成本低。

本发明可广泛用作建筑物的地源热泵地下的换热量(即吸热量和散热量)基础数据的测试，为建筑物的地源热泵系统工程的设计、施工及运行等提供可靠、全面、准确的基础数据。

四、附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为本实施例的水箱-地下换热器系统的结构示意图。

图中：1水箱，2加热器及制冷器，3出水管，4进水管，5控制阀，6温度传感器，7流量传感器，8循环水泵，9地下换热器，10水位传感器，11仪表箱，12补水口，13溢流管，14排水管，15压力表。

五、具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明发明。

实施例1

如图1、2所示，一种地源热泵地下换热器的换热量测试仪，主要包括埋设于地下的换热器9和设置于地上的水箱1及仪表箱11等。地下换热器9为U形PE管，埋设与地下100米处，水箱1为有顶盖的方形塑料容器，在水箱1一侧的上部设置有出水口，水箱1出水口通过塑料出水管3，并依次经过球型控制阀5、温度传感器6、流量传感器7、循环水泵8和压力表15，与地下U形PE管换热器9的一端通过螺纹固接。在水箱1的另一侧下部设置有进水口，水箱1进水口通过塑料进水管4，并依次经过球型控制阀5、温度传感器6和压力表15，与地下U形PE管换热器9的另一端通过螺纹固接。在水箱1上部还设置有补水口12，水箱1补水口12利用被测试地点附近的市政水管网，通过水管向水箱1补水。水箱1上部设置有溢流口，通过塑料溢流水管13流出并引入盛水器中。在水箱1底部口出水口一侧设置有排水口，水箱1排水口通过塑料排水管14，并经过球型控制阀5排水。在水箱1内的下部装设有电加热器及制冷器2，仪表箱11为长方形透明塑料容器，其背面为通过螺纹固接的板面。在仪表箱11内，从左至右，依次装设有一个水位数字显示仪表、两个温度数字显示仪表、一个流量数字显示仪表及一个温度数字显示仪表共五个数字显示仪表，仪表箱11内的五个数字显示仪表，分别通导线，并分别对应地与水箱1内的水位传感器10及温度传感器6、出水管3的温度传感器6及流量传感器7、进水管4的温度传感器6连接。

实施例2

一种地源热泵地下换热器的换热量测试仪，同实施例1，特征是：其地下换热器9为U形铝塑复合管，埋设与地下50米处，水箱1为有顶盖的长方形铁制容器，水箱1出水口通过镀锌钢管出水管3，并依次经过球型控制阀5、温度传感器6、流量传感器7、循环水泵8和压力表15，与地下U形铝塑复合管换热器9的一端通过螺纹固接，水箱1进水口通过镀锌钢管进水管4，并依次经过球型控制阀5、温度传感器6和压力表15，与地下U形铝塑复合管换热器9的另一端通过螺纹固接，水箱1溢流口通过镀锌钢管溢流水管13流出，水箱1排水口通过镀锌钢管排水管14，并经过球型控制阀5排水，仪表箱11为方形透明塑料容器，其背面为通过螺纹固接的板面，在仪表箱11内，五个数字显示仪表分两排装设，上排装设一个水位数字显示仪表和一个温度数字显示仪表，下排依次装设一个温度数字显示仪表和一个流量数字显示仪表及一个温度数字显示仪表。