基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统及控制方法，包括地埋管，所述地埋管包括一侧进水管和另一侧的出水管，所述进水管和出水管的外壁面处分别设置有湿度传感器和加湿管路，所述加湿管路与水箱相连，所述湿度传感器通过数据传输线缆连接控制模块，所述控制模块通过控制线缆连接所述加湿管路上的电磁阀。控制方法的主要步骤：定时接收各层土壤含水率数据；判断各层土壤含水率是否达到设定值；若未达到设定值，则开启未达设定值的土层对应的加湿管路上的电磁阀，待含水率达标后，关闭电磁阀停止加湿。本发明专利技术确保了地埋管的换热效果，充分发挥土壤源热泵系统整体能效水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于土壤源热泵地埋管换热器
,具体涉及一种基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统及控制方法。
技术介绍
在地下布设地埋管换热器，需要先在地面钻孔，将地埋管置入钻孔中，然后在钻孔空隙中注入回填土壤，在实际工程中一般采用原浆回填，即将钻孔时抽出的含有地下土壤的泥浆再注入钻孔中。土壤属于多孔介质，内部有许多空隙，对于非饱和土壤，空隙中会存在较多空气，由于空气导热系数很低，传热性能很差，这将严重降低土壤的整体传热效果，地埋管无法有效与周围土壤换热，换热效果大大下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足,利用传感器实时监测地埋管换热器附近土壤含水率,通过增湿来提高附近土壤的含水率,以强化土壤与地埋管的换热效果。本专利技术一种基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，包括地埋管，所述地埋管包括一侧进水管和另一侧的出水管，所述进水管和出水管的外壁面处分别设置有加湿管路和湿度传感器，所述加湿管路与水箱相连，所述湿度传感器通过数据传输线缆连接控制模块，所述控制模块通过控制线缆连接所述加湿管路上的电磁阀。所述控制模块采用单片机型号MCS-51型或AT89型。所述湿度传感器沿地埋管外壁面纵向等间距设置于土壤各层内。在土壤各层内所述加湿管与所述湿度传感器对应设置。所述加湿管路上设置有孔。所述水箱设置于地面上，所述水箱上方设置有蓄水装置。所述加湿管路由PVC或PE耐腐蚀材料制成。所述控制模块设置于地面上。所述水箱外部设置有保温层。本专利技术的另一技术方案为：基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统控制方法，包括以下步骤：(1)定时接收各层土壤含水率数据；(2)判断各层土壤含水率是否达到设定值；(3)若未达到设定值，则开启未达设定值的土层对应的加湿管路上的电磁阀，通过加湿管路对该土壤层进行补水，从而提高该层土壤含水率，待含水率达标后，关闭对应加湿管路上的电磁阀停止加湿；(4)若达到设定值，检测该层加湿管路上的电磁阀是否关闭，如检测没有关闭的情况，应立即关闭，继续定时接收各层土壤含水率。本专利技术的有益效果：1、本专利技术采用加湿管路和湿度传感器保持一定间距，使土壤有充分的吸收水的空间，避免因对土壤各层加湿时局部湿度过高的假象导致传感器检测误差增大。2、本专利技术为了实时准确的监测土壤各层的含水率，确保土壤与地埋管的换热效果，在土壤内采用分层均匀设置湿度传感器及时监测土壤含水率变化，当土壤含水率较高时，在温差作用下产生自然对流，提高土壤的传热能力以及与地埋管的换热效果。3、控制模块采用单片机，闭环控制系统，通过电磁阀控制水流量，针对性的分层补水，一方面，能够针对性解决土壤各层的实际含水率不高的问题，避免了盲目性；另一方面，对于水资源贫乏的地区，实现节约用水，珍惜水资源的国策目标。4、本专利技术在实时监测自动调节土壤含水率的基础上，确保了地埋管的传热效果，能够充分发挥土壤源热泵系统的整体能效水平，提高系统经济性和节能环保，适于推广应用。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术控制方法流程图。图3为本专利技术控制系统的方框图。图4为采用土壤源热泵系统供暖的原理示意图。图5为采用土壤源热泵系统供冷的原理示意图。图6为不同含水率近地埋管处土壤热流密度随加热时间的变化趋势图。图7为土壤含水率对地埋管每m2管道面积换热量的影响趋势图。附图标记：1-进水管，2-出水管，3-湿度传感器，4-数据传输线缆，5-控制模块，6-水箱，7-加湿管路，8-电磁阀，9-控制线缆，10-孔，11-蓄水装置。具体实施方式下面通过具体实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本专利技术，并不对本专利技术作任何的限制。一种基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，包括地埋管，所述地埋管包括一侧进水管1和另一侧的出水管2，所述进水管1和出水管2的外壁面处分别设置有加湿管路7和湿度传感器3，所述加湿管路7与水箱6相连，所述湿度传感器3通过数据传输线缆4连接控制模块5，所述控制模块5通过控制线缆9连接所述加湿管路7上的电磁阀8。具体实施例：如图1所示，本实施例地埋管换热强化系统使用在地下三层土壤内，地埋管包括进水管1和出水管2，本专利技术包括分别设置于三层土壤内的三个湿度传感器3，所述湿度传感器3位于出水管2的外壁面处，沿出水管2外壁面纵向等间距设置于土壤各层内；加湿管路7位于进水管1外壁面处，在土壤各层内所述加湿管路7与所述湿度传感器3对应设置，三层土壤层内各设置一根加湿管路7,为了均匀提升各层土壤的含水率达到设定值，所述加湿管路7在各层沿土壤深度方向上均匀设置有孔10；同时为了延长加湿管路的使用寿命，本专利技术加湿管路7由PVC耐腐蚀材料制成，也可采用PE材料制成；冬季为了保证加湿工作持续进行,防止水箱结冰,在水箱6外部设置有保温层，为岩棉，也可为矿棉；控制模块5设置于地面上，本专利技术采用单片机型号为MCS-51型，也可为AT89型；水箱6与所述加湿管路7相连，所述加湿管路7上设置有电磁阀8，所述湿度传感器3通过数据传输线缆4连接所述控制模块5，所述控制模块5通过控制线缆9连接所述加湿管路7上的电磁阀8，为了方便安装和维护，所述数据传输线缆4固定于地埋管出水管2的外壁面，和地埋管一起送入土壤内。本专利技术水箱6也设置于地面上，其上方设置有蓄水装置11。如图2所示，基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统控制方法，包括以下步骤：首先定时接收各层土壤含水率数据,定时设置包括每隔15分钟、30分钟、45分钟、60分钟或90分钟；然后，根据土壤层的特点设定含水率设定值，根据接收到的土壤含水率数据，判断各层土壤含水率是否达到设定值；若未达到设定值，则开启未达设定值的土层对应的加湿管路上的电磁阀，通过加湿管路对该土壤层进行补水，从而提高该层土壤含水率，待含水率达标后，关闭对应加湿管路上的电磁阀停止加湿；若达到设定值，检测该层加湿管路上的电磁阀是否关闭，如检测没有关闭的情况，应立即关闭，继续定时接收各层土壤含水率数据。本专利技术的控制方法原理方框图如图3所示。下面介绍传统地埋管换热器原理：地埋管换热器是土壤源热泵系统的一部分，土壤源热泵利用浅层地热资源(指地表浅层的土壤、地下水或河流中吸收的太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能)来实现冬季供暖和夏季制冷。浅层土壤的温度在全年范围内相对稳定，夏季土壤温度低于环境温度，冬季又要高于环境温度，因此夏季可作为冷源进行供冷，冬季作为热源进行供热。图4、图5分别示意了采用土壤源热泵系统供暖和制冷的原理示意图。地埋管换热器承担着与地下土壤交换热量的重要作用，其换热性能的好坏决定了土壤源热泵系统供暖、制冷的能效水平。以下通过实验，在土壤含水率分别为15％，19％，22％及25％的工况下，研究了非饱和土壤换热时土壤含水率对地埋管换热效果的影响。图6为近地埋管处土壤热流密度随加热时间的变化，热流密度越大，说明土壤的传热效果越好，地埋管的换热量越大。由图可知，在热流密度变化较为稳定的阶段，15％，19％，22％和25％土壤含水率下的热流密度分别为42.5W/m2，50.8W/m2，53.5W/m2和63.1W/m2左右。可见，土壤含水率越高，其热流密度越大，即换热量也越大，与15％含水率的土壤相比，25％含水率本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，包括地埋管，所述地埋管包括一侧进水管和另一侧的出水管，其特征在于，所述进水管和出水管的外壁面处分别设置有加湿管路和湿度传感器，所述加湿管路与水箱相连，所述湿度传感器通过数据传输线缆连接控制模块，所述控制模块通过控制线缆连接所述加湿管路上的电磁阀。

【技术特征摘要】
1.基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，包括地埋管，所述地埋管包括一侧进水管和另一侧的出水管，其特征在于，所述进水管和出水管的外壁面处分别设置有加湿管路和湿度传感器，所述加湿管路与水箱相连，所述湿度传感器通过数据传输线缆连接控制模块，所述控制模块通过控制线缆连接所述加湿管路上的电磁阀。2.根据权利要求1所述的基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，其特征在于，所述控制模块采用单片机型号MCS-51型或AT89型。3.根据权利要求1所述的基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，其特征在于，所述湿度传感器沿地埋管外壁面纵向等间距设置于土壤各层内。4.根据权利要求1所述的基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，其特征在于，在土壤各层内所述加湿管与所述湿度传感器对应设置。5.根据权利要求1所述的基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统，其特征在于，所述加湿管上设置有孔。6.根据权利要求1所述的基于土壤含水率自动调节地埋管换热强化系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军，李扬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12