技术领域
[0001] 本
发明属于环境岩土工程技术领域，具体地说，涉及一种
地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统及方法。
背景技术
[0002] 地源热泵(Ground-Source Heat Pump，简称GSHP)技术通过地埋管内的液体(通常是
水)循环与地表浅层岩土体进行热量交换，使不能直接利用的岩土低品位
热能转换为可利用的高品位热能，是目前开采浅层地能中应用最为广泛的技术之一。其工作原理为：地表10m深度以下的岩土层
温度不受外界
气候的影响，能全年基本保持稳定；利用岩土层的这一特性，冬季将其作为热泵的热源，将
土壤中的热量提取出来，利用
能量转换对室内供热，同时将热泵系统排放的冷量储存于地下以供夏季使用；相反，在夏季则将其作为热泵的冷源，吸收室内的热量释放到土壤中，达到制冷效果，同时为冬季储存热量。在这一过程中，热交换对岩土介质产生复杂的影响，土体的温度场发生变化引起水分发生迁移，改变土体
含水量，而含水量的变化又引起土的
比热容、热导率及热扩散率发生变化，从而影响热量的传输过程。同时，在地源热泵运行中，除了热交换的影响，
地下水渗流、降雨、
蒸发等环境因素也会显著影响土壤的热湿迁移过程，从而最终影响到地源热泵系统的运行特性。目前，现有的研究成果都集中于地埋管周围土壤温度的变化，对其湿度场变化规律的研究未见报道，更未考虑到地下水渗流、降雨、蒸发等环境因素对土壤热湿迁移效应的影响。实际上，地源热泵运行中
地埋管换热器与岩土层的热交换是一个复杂的热湿耦合
传热传质过程，为了更直观地了解地源热泵运行中土体的热湿迁移特性及其对系统运行性能的影响，有必要设计一种地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统及方法，以便揭示土壤温度场、湿度场在地源热泵运行过程中的特征变化规律。
发明内容
[0003] 为了克服
现有技术中存在的
缺陷，本发明提供一种地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统及方法。其技术方案如下：
[0004] 一种地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统，包括地源热泵试验系统、运行监控与
数据采集系统两个部分：地源热泵试验系统由地埋管换热系统、热泵机组、末端
空调系统和辅助系统组成；运行监控与数据采集系统包括地源热泵运行状况监控、土体温度采集、土体湿度采集、气象数据采集和地下水监测五个子系统。
[0005] 地埋管换热系统采用横、竖复合方式，该地埋管换热系统分为A、B、C三个区域：A区包括A1、A2、A3、A4、A5、A6六个竖直埋管
热交换器，其中A3～A6与B区、C区的流量和换热功率保持均衡，A1、A2与总集水器直接连接(可独立控制)，为实验平台后期试验预留相关功能及辅助热交换作用；B区包括B1、B2、B3、B4四个竖直埋管热交换器；C区包括C1、C2、C3、C4四个横埋管热交换器。
[0006] 优选地，地埋管换热系统采用对称设计，左右两边管路同程布置，同时在每组管道分水器上安装流量计和控制
阀，对每个热交换器的的流量进行有效控制；采用φ50mm的高
密度聚乙烯(HDPE)管作为主管(横截面积1314mm2)水平全程铺设，使管内流动水阻降至最低；使用分水器分流至4根φ25mm的HDPE管(总横截面积：4×328.4＝1314mm2)，在每根φ25mm的HDPE分管处，安装
控制阀门，设置管道井。
[0007] 优选地，竖直埋管热交换器均采用单U型HDPE管，内径φ＝25mm；在A区矩形布置6口竖井，B区线形布置4口竖井，钻井深度为32m，间距为5m，钻井直径130mm。
[0008] 优选地，横埋管热交换器在主管的两侧，呈“串”字形布置；在C区共布置了4组换热器，每组间距为4.0m；每组为
单层水平双管，管间距为1.0m，埋深为2.5m；组间采用并联同程式；管材为高密度聚乙烯HDPE管，内径φ＝25mm，管子周围为半无限大土壤层。
[0009] 优选地，所述热泵机组采用江苏瀚艺商用空调有限公司生产的水-水式
水源热泵机组，型号为HYSS090RA-JF。
[0010] 优选地，所述末端空调系统主要包括空调机组、
风机盘管，选用风机盘管机组式水温空调系统，型号为SK-14。
[0011] 优选地，所述辅助系统包括各种阀门、
循环水泵、控制柜和集水器、分水器。
[0012] 优选地，所述地源热泵运行状况
监控系统包括
传感器和数据采集两个部分。传感器部分：管内循环水流量采用DN250型智能电磁流量计进行测量，一共布置了8个流量计，分别安装在以
下管路：①系统总入水口，②A区入水口，③B区入水口，④C区入水口，⑤A1管入水口，⑥A5管入水口，⑦B1管入水口，⑧C3管入水口；管内循环水压
力采用YBP-802防水型压力(液位)传感器进行测定，一共布置了8个
压力传感器，与流量计配套形成水压力、流量测定系统，安装
位置同流量计；进、出口水温采用防水型DS18b20温度传感器进行测定，一共布置了8组温度传感器，分别安装在以下管路：①系统总入水口和总回水口；②A区入水口和回水口；③B区入水口和回水口；④C区入水口和回水口；⑤A1管入水口和回水口；⑥A5管入水口和回水口；⑦B1管入水口和回水口；⑧C3管入水口和回水口。数据采集部分由计算机、可编程
控制器和RS485远程通讯系统组成，包括A区温度模
块、B区温度模块、C区温度模块和流量与压力模块。其工作原理为：通过各路控制器对各传感器的现场
信号进行实时采集，然后将采集数据和信号通过RS485远程通讯系统送至计算机，计算机再将数据存入
数据库，并实现对整个系统的实时监控等功能。输入热泵机组
压缩机的
电流与
电压均采用便携式万用表进行测量。
[0013] 优选地，所述土体温度采集系统采用PT100铂
电阻温度计(JMT-36C)和JMZR-2000T多点无线温度自动测试系统，该系统由控制单元(计算机)、采集单元(包括采集模块、电源模块及全密封箱等)和系统
软件(包括计算机软件、
嵌入式系统软件)组成，可实现64通道多点温度全自动采集。
[0014] 优选地，所述土体湿度采集系统采用美国SEC(Soilmoisture Equipment Corp.)公司生产的MiniTrase水分测定系统，其主体设备由TDR探针(同轴
电缆)、脉冲发射器、多路扩展板机箱和显示控制器(Ipad或计算机)组成；该系统利用时域反射仪(TDR探针)快速测量土壤及其它潮湿介质的体积含水量，可实现自动采集和存储。
[0015] 优选地，所述气象数据采集系统采用PC-4型便携式阳光气象站，可采集温度、湿度、风向、风速、
太阳辐射、降雨量、蒸发量等多项气象信息，内置大容量数据
存储器可连续存储60天气象数据；通过RS232/RS485/USB等标准通讯
接口与
笔记本电脑在现场读取数据。
[0016] 优选地，所述地下水监测系统通过在土壤中埋设PVC水位管，利用水位计进行定期监测。
[0017] 一种地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验方法，包括以下步骤：
[0018] (1)建立上述的地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统；
[0019] (2)启动地源热泵试验系统，并按制定的实验工况运行；
[0020] (3)启动运行监控与数据采集系统，按实验要求设置参数，对地源热泵运行状况和土体温度、湿度、气象因素、地下水等进行实时监控和采集；
[0021] (4)试验
数据处理，对地源热泵运行中土体的热湿迁移效应进行分析。
[0022] 与地源热泵运行状态有关的试验数据采用公式法进行处理，具体方法如下：
[0023] ①热泵机组性能系数：
[0024] COP＝(QE±WC)/WC
[0025] 式中：QE为热泵制热模式下热泵机组的吸热量，kW；WC为压缩机的输入功率，kW；
[0026] ②热泵机组的吸热量
[0027]
[0028] 式中：为循环水的
质量流量，kg/s；CP为水的比
热容，kJ/(kg.K)；Tin、Tout分别为U型管换热器中循环水的进、出口温度，K；
[0029] ③压缩机的输入功率
[0030]
[0031] 式中：IC为输入压缩机的电流，A；UC为压缩机的输入电压，V； 为功率因数；
[0032] 其中，
[0033] IC1、IC2、IC3分别为压缩机的线电流，可由便携式万用表测得；
[0034] ④地埋管换热器平均换热量
[0035] QC＝VCPρ(Tout-Tin)
[0036] 式中：V为U型埋管内循环水的体积流量，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3；CP、Tin、Tout意义同上；
[0037] ⑤单位管长换热量
[0038]
[0039] 式中：L0为U型管埋管深度，m；n为U型管支管数。
[0040] 与土体状态、气象因素有关的试验数据均采用列表法和作图法进行处理，例如土壤温度或湿度、地下水位、太阳辐射、风速、降雨量、蒸发量、空气温度、
相对湿度等。
[0041] 本发明的有益效果：
[0042] (1)对地源热泵系统的运行状况进行实时监控，能及时精确地获得系统各部分的压力和管内水流量数据，确保整个试验系统正常运行；并且能够精确计算出地源热泵运行的各状态参数，可对整个地源热泵系统进行能耗评价。
[0043] (2)对地埋管周围的温度、湿度场进行了全面监控，并对地下水渗流、降雨、蒸发等环境影响因素也进行了监测，能够全方位地揭示地源热泵运行中土体热湿迁移效应及其对系统运行性能的影响。
附图说明
[0044] 图1是本发明地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统的组成图；
[0045] 图2是本发明地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验方法的
流程图；
[0046] 图3是本发明的地埋管换热系统布置平面图；
[0047] 图4是本发明的横埋管换热器水路循环图；
[0048] 图5是本发明的土体状态参数监测孔平面布置图；
[0049] 图6是本发明的土体状态参数监测孔剖面图。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0051] 一种地源热泵运行中土体热湿迁移效应试验系统，包括地源热泵试验系统1、运行监控与数据采集系统2两个部分：地源热泵试验系统1由地埋管换热系统3、热泵机组4、末端空调系统5和辅助系统6组成；运行监控与数据采集系统2包括地源热泵运行状况监控7、土体温度采集8、土体湿度采集9、气象数据采集10和地下水监测11五个子系统。
[0052] 地埋管换热系统3采用横、竖复合方式，该地埋管换热系统分为A、B、C三个区域：A区包括A1、A2、A3、A4、A5、A6六个竖直埋管热交换器，其中A3～A6与B区、C区的流量和换热功率保持均衡，A1、A2与总集水器直接连接(可独立控制)，为实验平台后期试验预留相关功能及辅助热交换作用；B区包括B1、B2、B3、B4四个竖直埋管热交换器；C区包括C1、C2、C3、C4四个横埋管热交换器。
[0053] 地埋管换热系统采用对称设计，左右两边管路同程布置，同时在每组管道分水器上安装流量计和控制阀，对每个热交换器的的流量进行有效控制；采用φ50mm的高密度聚乙烯(HDPE)管作为主管(横截面积1314mm2)水平全程铺设，使管内流动水阻降至最低；使用分水器分流至4根φ25mm的HDPE管(总横截面积：4×328.4＝1314mm2)，在每根φ25mm的HDPE分管处，安装控制阀门，设置管道井。
[0054] 竖直埋管热交换器均采用单U型HDPE管，内径φ＝25mm；在A区矩形布置6口竖井，B区线形布置4口竖井，钻井深度为32m，间距为5m，钻井直径130mm。
[0055] 横埋管热交换器在主管的两侧，呈“串”字形布置；在C区共布置了4组换热器，每组间距为4.0m；每组为单层水平双管，管间距为1.0m，埋深为2.5m；组间采用并联同程式；管材为高密度聚乙烯HDPE管，内径φ＝25mm，管子周围为半无限大土壤层。
[0056] 热泵机组采用江苏瀚艺商用空调有限公司生产的水-水式水源热泵机组，型号为HYSS090RA-JF，设计工况为：
[0057] (1)夏季：室内侧进出水温为7/12℃，蒸发温度为3℃；室外侧进出水温为35/40℃，冷凝温度为45℃。夏季设计工况下额定制冷量22.3kW，功耗5.31kW。
[0058] (2)冬季：室内侧进出水温为45/40℃，冷凝温度为50℃；室外侧进出水温为7/12℃，蒸发温度为3℃。冬季设计工况下额定制热量30kW，功耗3.98kW。
[0059] 空调末端主要包括空调机组、风机盘管等部件，选用风机盘管机组式水温空调系统，型号为SK-14。
[0060] 辅助系统包括各种阀门、循环水泵、控制柜和集水器、分水器。
[0061] 地源热泵运行监控系统主要对管内循环水的流量、压力、进出口水温等参数进行自动采集和实时显示，同时对运行过程中输入热泵机组压缩机的电流与电压进行测量，包括传感器和数据采集两个部分。
[0062] (1)传感器部分
[0063] 管内循环水流量采用DN250型智能电磁流量计进行测量，一共布置了8个流量计，分别安装在以下管路：①系统总入水口；②A区入水口；③B区入水口；④C区入水口；⑤A1管入水口；⑥A5管入水口；⑦B1管入水口；⑧C3管入水口。
[0064] 管内循环水压力采用YBP-802防水型压力(液位)传感器进行测定，一共布置了8个压力传感器，与流量计配套形成水压力、流量测定系统，安装位置同流量计。
[0065] 进、出口水温采用防水型DS18620温度传感器进行测定，一共布置了8组温度传感器，分别安装在以下管路：①系统总入水口和总回水口；②A区入水口和回水口；③B区入水口和回水口；④C区入水口和回水口；⑤A1管入水口和回水口；⑥A5管入水口和回水口；⑦B1管入水口和回水口；⑧C3管入水口和回水口。
[0066] (2)数据采集部分
[0067] 数据采集部分由计算机、可编程控制器和RS485远程通讯系统组成，其工作原理为：通过各路控制器对各传感器的现场信号进行实时采集，然后将采集数据和信号通过RS485远程通讯系统送至计算机，计算机再将数据存入数据库，并实现对整个系统的实时监控等功能。
[0068] 地源热泵运行监控系统的数据采集和实时监控由自行编制的系统
软件模块来完成，主要由以下几个模块组成：
[0069] 1)A区温度模块：自动采集和实时显示地源热泵运行中A区地埋管内循环水温度，包括：A区入水和回水、A1管入水和回水、A5管入水和回水。
[0070] 2)B区温度模块：自动采集和实时显示地源热泵运行中系统总管和B区地埋管内循环水温度，包括：系统总入水和总回水、B区入水和回水、B1管入水和回水。
[0071] 3)C区温度模块：自动采集和实时显示地源热泵运行中C区地埋管内循环水温度，包括：C区入水和回水、C3管入水和回水。
[0072] 4)流量和压力模块：自动采集和实时显示地源热泵运行中地埋管内循环水流量和压力，并对压缩机运行状态进行实时监控。
[0073] 在地源热泵运行过程中，输入热泵机组压缩机的电流与电压均采用便携式万用表进行测量。
[0074] 地源热泵运行过程中，地埋管换热器与周围土壤发生热量交换，引起土体的温度和含水率发生改变；为了准确获得U型管换热器周围土壤温度场、湿度场的变化，需在其周围布置温、
湿度传感器，获得土体的状态参数(即温度和含水率)。
[0075] 选择竖埋管A5和B1、水平埋管C3作为监测对象，在其周围布置土体状态参数监测孔。
[0076] 其中，竖埋管A5周围沿三个方向布置测量点：①J-1～J-4方向由近至远按照1m、1m、1.5m、1.5m的间隔布置，竖直方向从上到下按地下3m、6m、9m、16m分四层布置；②J-5～J-
6方向由近至远按照1m、1.5m的间隔布置，竖直方向从上到下按地下3m、6m、10.5m分三层布置；③J-9～J-10方向由近至远按照0.5m、1m的间隔布置，J-9和J-10的埋设深度分别为6.3m和4.7m；地下3m、6m两层均同时埋设温度传感器和湿度传感器，其它各层均只埋设温度传感器；同时在竖直方向紧贴U型管外壁从上到下布置了4个测点，依次位于地表下6m、16m、20m、
25m处。
[0077] 同时，在竖埋管的热影响半径范围外布置土壤湿度测量点J-7和温度测量点J-8，其中：J-7测点由上至下一共布置了5个湿度传感器，距离地表面依次为0.5m、1m、2m、3m、4.5m；J-8测点由上至下一共布置了15个温度传感器，距离地表面依次为0.1m、0.5m、1m、
1.5m、2m、2.5m、3m、4m、5m、6m、8m、10m、12m、15m、18m。
[0078] 竖埋管B1周围沿三个方向布置测量点：①K-1～K-4方向由近至远按照1m、1m、1.5m、2.5m的间隔布置，竖直方向从上到下按地下3m、6m、11m分三层布置；②K-5～K-6方向由近至远按照1m、1.5m的间隔布置，竖直方向从上到下按地下3m、6m、9.5m分三层布置；③K-
7～K-9方向由近至远按照1.5m、1m、1.5m的间隔布置，竖直方向从上到下按地下3m、6m、
11.5m分三层布置；地下3m、6m两层均同时埋设温度传感器和湿度传感器，其它各层均只埋设温度传感器；同时在竖直方向紧贴U型管外壁从上到下布置了4个测点，依次位于地表下
6m、11.5m(进、出管各1个)、18m处。
[0079] 水平埋管C3沿水平方向和竖直方向分别布置测量点：①水平方向在距离换热器-0.6m(U型回路中间)、0m、1m、2m、3m处(与换热器保持同一平面，即埋深2.5m)依次布置L-1～L-5五个测量点；②竖直方向上从下往上距离换热器0m、0.2m、0.5m、1.5m处依次布置L-2，L-
6～L-9五个测量点；每个测量点均同时埋设温度传感器和湿度传感器。
[0080] 土壤温度测量采用复现性较好的PT100铂电阻温度计(JMT-36C)，
精度为0.1℃，埋设前每个温度计均按要求进行标定。各测点的温度采集使用JMZR-2000T多点无线温度自动测试系统，该系统由控制单元(计算机)、采集单元(包括采集模块、电源模块及全密封箱等)和
系统软件(包括计算机软件、嵌入式系统软件)组成，可实现64通道多点温度全自动采集。
[0081] 土壤含水率测量采用美国SEC(Soilmoisture Equipment Corp.)公司生产的MiniTrase水分测定系统，其主体设备由TDR探针(同轴电缆)、脉冲发射器、多路扩展板机箱和显示控制器(Ipad或计算机)组成。该系统利用时域反射仪(TDR探针)快速测量土壤及其它潮湿介质的体积含水量，可实现自动采集和存储。
[0082] 气象数据采集系统采用PC-4型便携式阳光气象站，可采集温度、湿度、风向、风速、太阳辐射、降雨量、蒸发量等多项气象信息，内置大容量数据存储器可连续存储60天气象数据；通过RS232/RS485/USB等标准通讯接口与笔记本电脑在现场读取数据。
[0083] 地下水位通过在土壤中埋设PVC水位管，利用水位计进行定期测量。在A区、B区分别布置了S-1、S-2、S-3、S-4、S-5五组水位管。
[0084] 以上是本发明所述
实施例装置的系统组成描述，下面结合具体的实验工况对该方法进行具体说明。具体步骤为：
[0085] (1)设计实验方案，确定运行工况；
[0086] 夏季试验从2013年9月14日开始，至10月7日结束，依次按3种不同的运行模式进行试验，每一种运行模式下连续试验7天，间隔1天后进行另一种运行模式的试验。具体试验过程如下：
[0087] a)2013年9月14日9：00——9月20日17：00
[0088] 运行模式I：开机运行8小时，停机16小时，运停比为1∶2；即每天9：00开机，热泵连续运行8小时，17：00关机。
[0089] b)2013年9月21日9：00——9月27日21：00
[0090] 运行模式II：开机运行12小时，停机12小时，运停比为1∶1；即每天9：00开机，热泵连续运行12小时，21：00关机。
[0091] c)2013年9月29日9：00——10月6日9：00
[0092] 运行模式III：连续运行；即9月29日9：00开机，热泵连续运行168小时，10月6日9：00关机。
[0093] 试验过程中，分别对热泵机组的运行参数(进出口水温、流量、压力)、土壤的状态参数(温度、湿度、地下水位)、周围的气象因素(降雨量、蒸发量、风速值、太阳辐射值)等进行实时监测。
[0094] (2)启动地源热泵试验系统，并按制定的实验工况运行；
[0095] (3)启动运行监控与数据采集系统，按实验要求设置参数，对地源热泵运行状况和土体温度、湿度、气象因素、地下水等进行实时监控和采集；
[0096] (4)试验数据处理，对地源热泵运行中土体的热湿迁移效应进行分析。
[0097] 与地源热泵运行状态有关的试验数据采用公式法进行处理，具体方法如下：
[0098] ①热泵机组性能系数：
[0099] COP＝(QE±WC)/WC
[0100] 式中：QE为热泵制热模式下热泵机组的吸热量，kW；WC为压缩机的输入功率，kW；
[0101] ②热泵机组的吸热量
[0102]
[0103] 式中：为循环水的质量流量，kg/s；CP为水的比热容，kJ/(kg.K)；Tin、Tout分别为U型管换热器中循环水的进、出口温度，K；
[0104] ③压缩机的输入功率
[0105]
[0106] 式中：IC为输入压缩机的电流，A；UC为压缩机的输入电压，V； 为功率因数；
[0107] 其中，
[0108] IC1、IC2、IC3分别为压缩机的线电流，可由便携式万用表测得；
[0109] ④地埋管换热器平均换热量
[0110] QC＝VCPρ(Tout-Tin)
[0111] 式中：V为U型埋管内循环水的体积流量，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3；CP、Tin、Tout意义同上；
[0112] ⑤单位管长换热量
[0113]
[0114] 式中：L0为U型管埋管深度，m；n为U型管支管数。
[0115] 与土体状态、气象因素有关的试验数据均采用列表法和作图法进行处理，例如土壤温度或湿度、地下水位、太阳辐射、风速、降雨量、蒸发量、空气温度、相对湿度等。
[0116] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
