地源热泵岩土热响应动态测试系统及测试方法

摘要

地源热泵岩土热响应动态测试系统，由加热水箱、循环泵、旁通阀、加热井、U形管、温度监测井、数据采集分析仪、温度传感器组、流量传感器和加热器构成；其特点是：在距离加热井0.3～1.2m之间设置温度监测井，温度监测井中设置有与加热井相同的温度传感器组，所有的温度传感器和流量传感器均通过信号线与数据采集分析仪连接。测试时对加热井和温度监测井分别进行岩土原始温度值、基本加热过程、强化加热过程和停止加热后的数据测试。通过比较传热模型计算值和实测值，修正岩土导热系数，最终逼近实际的岩土导热系数。本发明通过对加热井和温度监测井内岩土温度进行同步监测，可缩短测试时间；精确了解不同深度岩土的传热情况及井与井之间的相互影响，为设计提供数据。

权利要求

1.一种地源热泵岩土热响应动态测试系统，包括加热水箱、循环泵、旁通阀、加热井、加热井进口温度传感器、加热井出口温度传感器、加热井内U形管、温度监测井、数据采集分析仪、温度传感器组、流量传感器和加热器，加热水箱(1)输出端经管道依次与循环泵(2)、加热井进口温度传感器(3)、加热井内U形管(4)、加热井出口温度传感器(5)、流量传感器(6),以及加热水箱输入端串联连接，并形成循环环路；其中加热水箱(1)内有加热器(7)，循环泵(2)两侧并联旁通阀(8)，加热井(9)中设置有温度传感器组(11)，其特征在于：在距离加热井0.3～1.2m之间设置温度监测井(10)，温度监测井中设置有与加热井相同的温度传感器组(11)，整个测试系统的加热井进口温度传感器（3）、加热井出口温度传感器(5)、温度传感器组(11)和流量传感器(6)均通过信号线与数据采集分析仪(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种地源热泵岩土热响应动态测试系统，其特征在于：所述的温度监测井的深度小于等于加热井深度。

3.根据权利要求1所述的一种地源热泵岩土热响应动态测试系统，其特征在于：所述的温度传感器组(11)是沿加热井或温度监测井井深方向间隔相同地布置各温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种地源热泵岩土热响应动态测试系统的测试方法，其特征在于：测试包括以下几个过程：

（A）岩土初始温度测试：加热井和温度监测井制作完成后即进行整个测试系统的连接，并开始采集数据，每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值，直至所测到12h内温度变化小于0.2℃认为达到稳定，此时温度传感器组的温度值即为不同土层的岩土原始温度值；

（B）基本加热过程：开启循环泵和加热器进行恒热流加热，并开始记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值，直至所测到温度值达到稳定；

（C）强化加热过程：将加热功率显著增大50%～100%，进行12～24h的强化加热，记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值；

（D）停止加热后的监测：停止加热和循环泵的运转，并进行12～24h的监测，记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值；

（F）然后依据记录的数据进行分析。

说明书

地源热泵岩土热响应动态测试系统及测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地源热泵岩土热响应动态测试系统及测试方法，属于深层岩土热物性测试技术领域。

背景技术

[0002] 在我国经济快速发展的今天，能源紧缺问题也变得日益严峻，空调能耗在建筑能耗中占很大的比重，节能减排与开发新能源具有重要意义。深层岩土具有稳定的温度，夏季较空气温度低，冬季较空气温度高，岩土源热泵技术是利用岩土作为低品位热源和热汇，冬季从岩土中取热，夏季向岩土中放热，其能效比空气源热泵有显著的提高。测试岩土的热物性参数在设计过程中有重要作用，合理取值对于系统的正常运行和能效性能影响很大。

[0003] 现有的地源热泵热响应测试系统一般包括加热或者制冷装置、测试井和数据采集分析仪；通常需要在测试井完成后至少放置48h，有时需要等待10天左右，待岩土恢复到初始温度以后才能开始测试，开启加热器以后，测试时间为至少48h，等到岩土的温度基本稳定才能用来计算岩土的热物性参数，此类方法耗时长，且只能得到岩土的平均热物性参数，对不同土层的岩土热物性参数无法得到测量，无法为设计提供更详细的岩土资料；由于采用单个测试井加热的方法，不能直接测试得出井与井之间的影响，因此目前设计时井间距的确定只能依靠经验和理论分析，这降低了设计的可靠性。

[0004] 基于上述技术背景，本发明提出一种新型的地源热泵岩土热响应动态测试系统：设置加热井和温度监测井，同时对两井的温度变化进行监测，并进行对比分析得出不同土层的岩土热物性参数及井与井之间的影响。

发明内容

[0005] 本发明提供一种新型的地源热泵岩土热响应动态测试系统及测试方法，其目的在于克服现有测试技术中耗时长，无法详细了解各土层传热情况，不能直接了解井与井之间相互影响等弊端。

[0006] 为实现上述目的，本发明公开一种地源热泵岩土热响应动态测试系统，包括加热水箱、循环泵、加热井、加热井进口温度传感器、加热井出口温度传感器、加热井内U形管、温度监测井、数据采集分析仪、温度传感器组、流量传感器和加热器，加热水箱输出端经管道依次与循环泵、加热井进口温度传感器、加热井内U形管、加热井出口温度传感器、流量传感器、以及加热水箱输入端串联连接，并形成循环环路；其中加热水箱内有加热器，循环泵两侧并联旁通阀，加热井中设置有温度传感器组，其特点是：在距离加热井0.3～1.2m之间设置温度监测井，温度监测井中设置有与加热井相同的温度传感器组，整个测试系统的加热井进口温度传感器、加热井出口温度传感器、温度传感器组和流量传感器均通过信号线与数据采集分析仪连接。

[0007] 所述的温度监测井的深度小于等于加热井深度。

[0008] 所述的温度传感器组是沿加热井或温度监测井井深方向间隔相同地布置各温度传感器。

[0009] 地源热泵岩土热响应动态测试系统的测试方法，其特点是：测试包括以下几个过程：

[0010] （A）岩土初始温度测试：加热井和温度监测井制作完成后即进行整个测试系统的连接，并开始采集数据，每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值，直至所测到12h内温度变化小于0.2℃认为达到稳定，此时温度传感器组的温度值即为不同土层的岩土原始温度值；

[0011] （B）基本加热过程：开启循环泵和加热器进行恒热流加热，并开始记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值，直至所测到温度值达到稳定；

[0012] （C）强化加热过程：将加热功率显著增大50%～100%，进行12～24h的强化加热，记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值；

[0013] （D）停止加热后的监测：停止加热和循环泵的运转，并进行12～24h的监测，记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值；

[0014] （F）然后根据记录的数据进行分析。

[0015] 本发明的优点和积极效果是：

[0016] 1、本测试系统在加热井和温度监测井制作完成后即开始进行测试直至稳定，有效的缩短了测试加热前的等待时间。

[0017] 2、测试时传热流体在加热井内U形管中循环，通过数据采集分析仪对两井中分布在不同深度土层的温度传感器组数据进行采集并进行比较，实现多深度土层的测量，可详细了解各土层传热情况，为实际工程提供更可靠的岩土数据。

[0018] 3、本测试系统包括加热井和温度监测井，在测试过程中通过分析比较两井相同深度处岩土温度值可以了解两井之间的相互影响，可以为确定井间距提供更直接的数据。

附图说明

[0019] 图1为本发明地源热泵岩土热响应动态测试系统结构示意图。

[0020] 1.加热水箱，2.循环泵，3.加热井进口温度传感器，4.加热井内U形管，5.加热井出口温度传感器，6.流量传感器，7.加热器，8.旁通阀，9.加热井，10.温度监测井，11.温度传感器组，12.数据采集分析仪。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0022] 地源热泵岩土热响应动态测试系统结构如图1所示，加热水箱1输出端连接循环泵2、加热井进口温度传感器3、加热井内U形管4、加热井出口温度传感器5、流量传感器6，以及加热水箱输入端串联连接，并形成循环环路；其中加热水箱1内有加热器7，循环泵2两侧有旁通阀8、加热井9中有温度传感器组11、温度监测井10中有与加热井相同的温度传感器组11；加热井进口温度传感器3、出口温度传感器5、流量传感器6、两组温度传感器组11、分别与数据采集分析仪12连接。

[0023] 实施例1：

[0024] 加热井4和温度监测井10的深度均为100m（实际执行时加热井深度也可小于监测井深度），井的孔径均为130mm，加热井采用单U形管，管径为DN32，加热井4和温度监测井10间距一般为0.3m～1.2m，本实施例采用0.7m，两井内设置有相同的温度传感器组11，即在相同深度处各布置了一系列间隔相同的温度传感器，本实施例各温度传感器在深度方向的间距采用10m。

[0025] 测量过程为：（1）岩土初始温度测试：完成加热井和温度监测井后，每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值，直至所测到12h内温度变化小于0.2℃认为达到稳定，此时温度传感器组的温度值即为不同土层的岩土原始温度值；（2）基本加热过程：开启循环泵和加热器进行恒热流加热，并每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值，直至所测到4h内温度变化小于0.2℃认为达到稳定；（3）强化加热过程：将加热功率增大一倍进行12h的强化加热，每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值及对应时刻的流量值；（4）停止加热后监测：停止加热并进行12h检测，每隔1min记录加热井和温度监测井中温度传感器组的数值、加热井进出口温度值。

[0026] 与上述测试过程相配套的数据分析的步骤为：

[0027] （1）将加热井视为线热源，假设τ0时刻某一深度岩土换热系数为λ0，[0028] 则相距r处温度监测井内该深度岩土温度为，

[0029]

[0030] 式中T=T(r,τ0)——τ0时刻r处的岩土温度，℃；

[0031] 为指数积分函数；

[0032] λ0——假定的某深度岩土导热系数，W/(m·K)；

[0033] T0——未受扰动的岩土原始温度，℃；3

[0034] ρ0——该深度岩土的密度，kg/m

[0035] c0——该深度岩土的比热，kJ/(kg·K)；

[0036] q1——单位长度线热源热流强度，（W/m）

[0037] τ0——时间，s。

[0038] （2）将所求的温度监测井该深度处温度T(r,τ0)与实际测得的温度T'(r,π0)进行比较得出修正后的岩土传热系数λ1，将λ1作为π1时刻该深度岩土传热系数带人上式进行迭代。

[0039] （3）整个测量过程中可得出多个时刻的λi（i=1，2，3...)，取λ值令2
Σ(λ-λi) →min，此时λ即为该深度岩土导热系数；

[0040] 对各个深度的岩土导热系数进行平均，可求出总的岩土换热系数。

[0041] 实施例2：

[0042] 加热井4和温度监测井10间距采用0.3m，其它与实施例1一致。

[0043] 实施例3：

[0044] 加热井4的深度为100m,温度监测井10的深度为98m,加热井4和温度监测井10间距采用1.2m，其它与实施例1一致。

[0045] 所述加热井和温度监测井的回填宜采用原浆进行回填；因在常用的温度传感器中，铂电阻传感器的线性和稳定性最好，故本实例中所述温度传感器组探头采用高精度的铂电阻，提高精确度。