一种中深层地热地埋管运行性能实测系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种实测系统，尤其涉及一种中深层地热地埋管运行性能实测系统。


背景技术：

2.中深层地热地埋管热泵供热技术与传统地热能利用技术相比具有热源温度高、取热量大、系统运行稳定、性能高效、占地面积小、保护地下水资源等优势，且不受地面气候条件的影响，可实现中深层地热能的清洁、高效、持续利用，是一种更加优质的可再生能源的高效供热技术。
3.但中深层地热地埋管热泵技术在实际运行时，其性能受当地地热条件影响，进而会影响到项目设计方案与系统长期运行性能。由于中深层地热地埋管取热点较深，管长也较长，通常在2000-3000米，使得中深层地热地埋管相比常规热源的施工周期长，施工成本高。因此，在设计阶段为了更加合理的设计中深层地热地埋管开采数据，同时为后期实际运行制定更为明确合理的运行调控策略，非常有必要针对新建成的中深层地热地埋管实际运行性能，特别是变工况运行性能开展实测研究；然而，现有技术缺乏针对中深层地热地埋管实际运行性能的测试装置或方法，由此，为明确项目所在地地热调节及中深层地热地埋管实际运行性能，及时优化调整设计方案，为中深层地热地埋管热泵供热技术的推广应用提供更有力的实测数据支撑，亟需提供一种中深层地热地埋管运行性能实测系统。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种中深层地热地埋管运行性能实测系统。
5.为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种中深层地热地埋管运行性能实测系统，包括中深层地热地埋管单元、热源侧水泵单元、热泵机组单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元；中深层地热地埋管单元在出水口一端连接热源侧水泵单元，热源侧水泵单元与热泵机组单元连接，热泵机组单元通过一号回流管路连接中深层地热地埋管单元的进水口；
6.热泵机组单元还与冷却侧水泵单元连接，冷却侧水泵单元与冷却塔单元的进水口连接，冷却塔单元在出水口处通过二号回流管路连接热泵机组单元。
7.进一步地，中深层地热地埋管单元含有一根或多根中深层地热地埋管，每根中深层地热地埋管的埋管深度在2-3千米。
8.进一步地，单根中深层地热地埋管的取热孔循环水量为20-30m3/h。
9.进一步地，热源侧水泵单元包含一台变频水泵，水泵频率为25-50hz，水流量为20-40m3/h。
10.进一步地，热泵机组单元采用高效电驱动热泵机组及输配系统，包含有蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀。
11.进一步地，冷却侧水泵单元含有一台变频水泵，水泵频率为25-50hz，水流量为60-120m3/h。
12.进一步地，冷却塔单元含有一台开放式冷却塔。
13.进一步地，在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装有温度传感器；
14.在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装有压力传感器；
15.在中深层地热地埋管的进口管路、冷却塔进口输配管路上加装有流量传感器；
16.在热泵机组的压缩机、热源侧水泵、用户侧水泵处均安装有三相功率传感器。
17.进一步地，温度传感器、压力传感器、流量传感器、三相功率传感器的数据监测及采集时间步长为1min。
18.进一步地，该中深层地热地埋管运行性能实测系统设置于移动车上。
19.本实用新型公开了一种中深层地热地埋管运行性能实测系统，通过人工调节中深层地热地埋管运行参数，包括进水温度、循环流量、启停模式等，在中深层地热地埋管成孔后，即可快速开展中深层地热地埋管多工况运行性能实测研究，明确中深层地热地埋管在不同工况下的实际运行性能，包括尖峰取热能力、取热能力调节性能、循环阻力特性、热泵机组制热性能等；从而在设计阶段更加合理的设计中深层地热地埋管开采数量，避免过量开采导致建设成本的浪费，也避免开采数量不足导致后期运行性能衰减。同时，通过中深层地热地埋管在不同运行工况下取热性能、循环阻力特性定量分析，热泵机组在不同运行工况下制热性能的定量分析，也为项目实际运行，特别是变工况运行制定更为明确合理的运行调控策略，为中深层地热地埋管热泵供热技术的推广应用提供更有力的实测数据支撑。
附图说明
20.图1为本实用新型中深层地热地埋管运行性能实测系统的示意图。
21.图中：1、中深层地热地埋管单元；2、热源侧水泵单元；3、热泵机组单元；4、冷却侧水泵单元；5、冷却塔单元；6、一号回流管路；7、二号回流管路。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
23.如图1所示，为本实用新型中深层地热地埋管运行性能实测系统的系统示意图，包括中深层地热地埋管单元1、热源侧水泵单元2、热泵机组单元3、冷却侧水泵单元4、冷却塔单元5；其中，中深层地热地埋管单元1在出水口一端连接热源侧水泵单元2，热源侧水泵单元2与热泵机组单元3连接，热泵机组单元3通过一号回流管路6连接中深层地热地埋管单元1的进水口；
24.热泵机组单元3还与冷却侧水泵单元4连接，冷却侧水泵单元4与冷却塔单元5的进水口连接，冷却塔单元5在出水口处通过二号回流管路7连接热泵机组单元3。
25.对于上述深层地热地埋管运行性能实测系统的系统，其整体设计思路为：
26.a、采用热源侧水泵单元2驱动热源水在中深层地热地埋管1中循环流动，通过中深层地热地埋管利用壁式换热的形式与周围岩层换热，以实现中深层地热能的提取，进而可
获得高温热源水；
27.b、基于水的循环流动，通过调节热源侧的水泵循环流量，模拟出中深层地热地埋管变流量的测试工况，流量的调节范围在20-40m3/h；
28.c、从中深层地热地埋管1处换热后的高温热源水，经热源侧水泵单元2泵入到热泵机组3的蒸发器中，将热量传递给蒸发器的制冷剂，高温热源水降温后离开热泵机组1的蒸发器，经一号回流管路6再次进入中深层地热地埋管1 中，再次提取中深层地热能，由此形成循环；
29.d、热泵机组单元设定蒸发器水温度设定值，根据高温热源水进入蒸发器的水温不同，通过热泵机组单元中的压缩机转速、入口导叶阀开度的调节，使得蒸发器实际出水温度达到设定值。
30.e、基于水温的调节控制，通过调节蒸发器出水温度的设定值，模拟中深层地热地埋管变进水温度的测试工况；
31.f、热泵机组蒸发器的制冷剂从高温热源水吸热后，经由压缩机流动至冷凝器，并将热量传递至冷却侧的循环水；降温后的制冷剂经由膨胀阀再次流动至蒸发器，再次吸收高温热源水中的热量，由此形成循环；
32.g、冷却侧循环水在冷凝器中吸收制冷剂排放的热量后，经由冷却侧水泵单元4流动至冷却塔单元5中进行排热，将热量排放至周围空气中；放热后的冷却侧的循环水经由二号回流管7回流到热泵机组单元3的冷凝器中再次吸热；由此形成整个热量传递过程，实现对中深层地热地埋管运行性能的测试研究。
33.进一步地，对于深层地热地埋管运行性能实测系统中的各组成单元，其具有设置有：
34.中深层地热地埋管单元1含有一根或多根中深层地热地埋管，每根中深层地热地埋管的埋管深度在2500米，采用间壁式换热方式提取中深层地热能；单根中深层地热地埋管的取热孔循环水量为20-30m3/h时，出水温度可以达到30℃以上。
35.热源侧水泵单元2包含一台变频水泵，水泵频率25-50hz可调，可实现高温热源水流量20-40m3/h连续可调。
36.热泵机组单元3采用高效电驱动热泵机组及输配系统，包含有蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀等；当高效电驱动热泵机组在冷凝侧供水温度45℃，蒸发侧出水温度20℃时，热泵机组供热性能系数高达7.80，热泵供热装置的供热性能系数高达6.46。
37.冷却侧水泵单元含有一台变频水泵，水泵频率25-50hz可调，实现流量60
‑ꢀ
120m3/h连续可调。
38.冷却塔单元含有一台开放式冷却塔，满足额定排热量600kw，风机频率25
‑ꢀ
50hz可调的条件。
39.并且，为实现测试过程中中深层地热地埋管运行数据的获取，本深层地热地埋管运行性能实测系统中还设计有数据监测及采集的稳定传感器、压力传感器、流量传感器、功率传感器，具体有：
40.在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装高精度温度传感器，高精度温度传感器具有数据自动采集、储存、导出功能，温度监测范围0-100℃，采集精度≤0.1
℃，数据监测及采集时间步长1min，可存储至少1个月的运行数据；
41.在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装高精度压力传感器，高精度压力传感器具有数据自动采集、储存、导出功能，其压力监测范围0-10mpa，采集精度≤0.002mpa，数据监测及采集时间步长 1min，可存储至少1个月的运行数据；
42.在中深层地热地埋管的进口管路、冷却塔进口输配管路上加装高精度流量传感器，高精度流量传感器具有数据自动采集、储存、导出功能，其流量监测范围0-100m3/h，采集精度≤1％，数据监测及采集时间步长1min，可存储至少1 个月的运行数据。
43.在热泵机组的压缩机、热源侧水泵、用户侧水泵处均安装有高精度三相功率传感器，高精度三相功率传感器也具有数据自动采集、储存、导出功能，其功率监测范围0-200kw，采集精度≤0.5％，数据监测及采集时间步长1min，可储存至少1个月运行数据。
44.如图1所示，图中表示温度测点，温度测点代表安装有高精度温度传感器；表示压力测点，压力测点代表安装有高精度压力传感器；表示水流量测点，水流量测点代表安装有高精度流量传感器；表示电功率测点，电功率测点代表安装有三相功率传感器。
45.此外，为便于各单元连接管路的开启或关闭状态控制，或热源侧水泵、冷源侧水泵的流量控制，还如图1所示，设置有阀门a、阀门b、阀门c、阀门d。
46.由此，对于本实用新型所公开的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其装置整体的实测方法为：
47.1)变流量的测试：通过调节热源侧水泵运行频率或者热源侧阀门开度 (即图1中的阀门c)，维持热源侧循环流量至设定值；循环流量的调节范围在 20-40m3/h，通常选取20m3/h、25m3/h、30m3/h、35m3/h等工况；
48.2)变进水温度的测试：通过调节热泵机组蒸发器的出水温度设定值，维持热源侧进水温度至设定值，进水温度的设定范围在5-30℃，通常选取5℃、 10℃、15℃、20℃等工况；其中，蒸发器出水温度的调节则根据进入蒸发器的水温不同，通过压缩机转速、入口导叶阀开度的调节，使蒸发器时间出水温度达到设定值；
49.3)冷却侧循环水出水温度的测试：热泵机组冷凝侧的循环水出水温度设定值维持在45℃，通过调节冷却侧水泵频率、冷却塔的风机频率，维持5℃温差，即热泵机组冷凝侧进水温度40℃；
50.对于每个工况测试，调节完成后维持连续运行12小时，随后开展下一工况测试；
51.具体测试的运行数据有：
52.1.1、获取循环水温数据：在测试过程中，采用温度传感器实时监测并采集中深层地热地埋管进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处的循环水温，数据监测及采集步长1min，存储运行数据；
53.1.2、获取循环压力数据：在测试过程中，采用压力传感器实时监测并采集中深层地热地埋管进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，
热泵机组冷凝器的进水口、出水口处的循环水压，数据监测及采集步长1min，存储运行数据；
54.1.3：获取循环流量数据：在测试过程中，采用流量传感器实时监测并采集中深层地热地埋管进口管路、冷却塔进口输配管路循环流量，数据监测及采集步长1min，存储运行数据；
55.1.4、获取运行功率数据：在测试过程中，采用三相功率传感器实时监测并采集热泵机组压缩机、热源侧水泵、用户侧水泵的运行功率，数据监测及采集步长1min，存储运行数据；
56.定量分析过程为：
57.2.1、在获得中深层地热地埋管的各组运行数据后，结合公式1回归得到中深层地热地埋管在不同循环流量、进水温度下取热量的拟合公式，从而实现对中深层地热地埋管换热性能随运行参数变化的定量分析，指导中深层地热地埋管系统设计与运行调控；
58.qg＝a b
·gg2
c
·gg
d
·
t
g，i2
e
·
t
g，i
f
·gg
·
t
g，i
ꢀꢀꢀ
公式1
59.其中，qg为中深层地热地埋管取热功率，单位kw；gg为中深层地热地埋管循环流量，单位m3/h；t
g,i
为中深层地热地埋管进水温度，单位℃；a-f均为拟合系数；
60.2.2、在获得中深层地热地埋管的各组运行数据后，结合公式2回归得到中深层地热地埋管在不同循环流量下循环阻力的拟合公式，从而实现对中深层地热地埋管循环阻力随运行参数变化的定量分析，指导中深层地热地埋管系统设计与运行调控；
[0061][0062]
其中，δpg为中深层地热地埋管循环阻力，单位kpa；re为雷诺数，无量纲参数；h为中深层地热地埋管管深，单位m；d为中深层地热地埋管水力直径，单位m；u为中深层地热地埋管循环流量，单位m/s；g为重力常数，单位m/s2； i，j均为拟合系数；
[0063]
2.3、在获得热泵机组运行数据后，结合公式3-7回归得到热泵机组在不同循环流量、蒸发侧循环水温以及冷凝侧循环水温下供热性能的拟合公式，从而实现对中深层地热地埋管热泵机组供热性能随运行参数变化的定量分析，指导中审查地热地埋管系统设计与运行调控；
[0064][0065]
t
ce
＝t
c-teꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4
[0066][0067]
dcop＝a
·
plr2 b
·
plr
·
t
ce
c
·
t
ce2
d
·
plr e
·
t
ce
f
ꢀꢀꢀꢀ
公式6
[0068]
cop＝icop
·
dcop
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式7
[0069]
其中，icop表示热泵机组理论制热性能，无量纲参数；dcop表示热泵机组压缩机效率，无量纲参数；cop表示热泵机组实际制热性能，无量纲参数；plr 表示热泵机组实际运行制热负荷率，无量纲参数；tc表示热泵机组冷凝温度，单位k；te表示热泵机组蒸发温度，单位
k；t
ce
表示热泵机组冷凝温度与蒸发温度之差，用来近似表征压缩比，单位k；qc表示热泵机组实际制热量，单位kw； q
c,0
表示热泵机组额定制热量，单位kw；a-f均为拟合系数。
[0070]
由此，对于本实用新型所公开的中深层地热地埋管运行性能实测系统，整体设置完成后搭建在移动小车上，通过搭建移动式中深层地热地埋管运行性能实测平台，极大的便利了中深层地热地埋管的性能实测处理。本中深层地热地埋管运行性能实测系统，通过人工调节中深层地热地埋管运行参数，包括进水温度、循环流量、启停模式等，在中深层地热地埋管成孔后，即可快速开展中深层地热地埋管多工况运行性能实测研究，明确中深层地热地埋管在不同工况下的实际运行性能，包括尖峰取热能力、取热能力调节性能、循环阻力特性、热泵机组制热性能等；从而在设计阶段更加合理的设计中深层地热地埋管开采数量，避免过量开采导致建设成本的浪费，也避免开采数量不足导致后期运行性能衰减。同时，通过中深层地热地埋管在不同运行工况下取热性能、循环阻力特性定量分析，热泵机组在不同运行工况下制热性能的定量分析，也为项目实际运行，特别是变工况运行制定更为明确合理的运行调控策略，为中深层地热地埋管热泵供热技术的推广应用提供更有力的实测数据支撑。
[0071]
上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：包括中深层地热地埋管单元(1)、热源侧水泵单元(2)、热泵机组单元(3)、冷却侧水泵单元(4)、冷却塔单元(5)；所述中深层地热地埋管单元(1)在出水口一端连接热源侧水泵单元(2)，热源侧水泵单元(2)与热泵机组单元(3)连接，热泵机组单元(3)通过一号回流管路(6)连接中深层地热地埋管单元(1)的进水口；所述热泵机组单元(3)还与冷却侧水泵单元(4)连接，冷却侧水泵单元(4)与冷却塔单元(5)的进水口连接，冷却塔单元(5)在出水口处通过二号回流管路(7)连接热泵机组单元(3)。2.根据权利要求1所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述中深层地热地埋管单元(1)含有一根或多根中深层地热地埋管，每根中深层地热地埋管的埋管深度在2-3千米。3.根据权利要求2所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：单根中深层地热地埋管的取热孔循环水量为20-30m3/h。4.根据权利要求3所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述热源侧水泵单元(2)包含一台变频水泵，水泵频率为25-50hz，水流量为20-40m3/h。5.根据权利要求4所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述热泵机组单元(3)采用高效电驱动热泵机组及输配系统，包含有蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀。6.根据权利要求5所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述冷却侧水泵单元(4)含有一台变频水泵，水泵频率为25-50hz，水流量为60-120m3/h。7.根据权利要求6所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述冷却塔单元(5)含有一台开放式冷却塔。8.根据权利要求1或7所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装有温度传感器；在中深层地热地埋管的进水口、出水口，冷却塔的进水口、出水口，热泵机组蒸发器的进水口、出水口，热泵机组冷凝器的进水口、出水口处均加装有压力传感器；在中深层地热地埋管的进口管路、冷却塔进口输配管路上加装有流量传感器；在热泵机组的压缩机、热源侧水泵、用户侧水泵处均安装有三相功率传感器。9.根据权利要求8所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：所述温度传感器、压力传感器、流量传感器、三相功率传感器的数据监测及采集时间步长为1min。10.根据权利要求6所述的中深层地热地埋管运行性能实测系统，其特征在于：该中深层地热地埋管运行性能实测系统设置于移动车上。

技术总结
本实用新型公开了一种中深层地热地埋管运行性能实测系统，包括中深层地热地埋管单元、热源侧水泵单元、热泵机组单元、冷却侧水泵单元、冷却塔单元；本新型通过人工调节中深层地热地埋管运行参数，在中深层地热地埋管成孔后，即可快速开展中深层地热地埋管多工况运行性能实测研究，明确中深层地热地埋管在不同工况下的实际运行性能，包括尖峰取热能力、取热能力调节性能、循环阻力特性、热泵机组制热性能等；从而在设计阶段更加合理的设计中深层地热地埋管开采数量，避免过量开采导致建设成本的浪费，也避免开采数量不足导致后期运行性能衰减，为中深层地热地埋管热泵供热技术的推广应用提供更有力的实测数据支撑。应用提供更有力的实测数据支撑。应用提供更有力的实测数据支撑。


技术研发人员：张辉 邓杰文 魏庆芃 徐韬 黄锦 李晓乐 马明辉 马晴
受保护的技术使用者：深能科技（西安）有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/5/25