用于评估地源热交换器性能的装置和相关检测方法与流程

1.本发明涉及地源热交换器，特别涉及用于检测地源热交换器装置完整性的设备和方法，特别是其中使用的传热回路(htl)。


背景技术：

2.使用地源热泵(gshp)从地下提取热量以将温度提高到足够高，用作供暖和热水，是政府到2050年实现碳中和战略的一个组成部分。热泵的使用已经有家庭、商业、工业和农业应用。
3.可以使用传热回路(htl)从地下提取热量。htl有两种主要形式，即水平收集器和垂直收集器。每种类型的收集器都包含足够长度的管道系统(通常由聚乙烯制成)，以确保管道系统与周围地面之间有足够的接触面积，从而确保热泵能够为应用提取足够的热量。
4.集热系统的设计应保证传热的可持续性。众所周知，如果管道尺寸不正确和/或安装不当，收集器从地下提取的热量可能会超过地层补充热量的能力，从而导致地面结冰。
5.为了避免这种情况，水平收集器通常包括布置在地表以下相对浅的深度(大约一米左右)处横跨相对大的区域的管道系统。
6.相比之下，垂直收集器部署在通常延伸到地下水中的钻孔中(例如，通常深约90-250米)，因此占地面积大大减少。这种类型的垂直收集器不易结冰，因为地下水流有助于补充收集器带走的热量。
7.与水平系统相比，垂直收集器的主要挑战之一是大部分htl深埋在地下，基本上无法接近。这会使检查htl安装完整性的过程变得困难。htl的聚乙烯结构非常耐用，正确安装的地源供暖钻孔应该可以成功运行数十年。因此，必须在安装后和使用前确认htl的完整性。


技术实现要素：

8.为了检测地源热交换器系统的完整性，本发明提供了一种如权利要求1所述的地源热交换器检测装置。
9.所述地源热交换器检测装置包括：一第一流体导管，其设置有第一流量计和/或压力监测器以及一第一热交换器接合装置；一第二流体导管，其设置有一第二流量计和/或压力监测器以及一第二热交换器接合装置；其中，所述第一和第二热交换器接合装置配置为与地源热交换器的管道系统形成一流体密封连接，该流体密封连接产生经由所述管道系统穿过所述第一和第二流体导管的流动路径；以及一流体泵送装置，其可连接到一流体源，配置为在所述流动路径内产生一流体流，该流体流经由所述管道系统穿过所述第一和第二流体导管。
10.可以理解的是，所述地源热交换器的管道系统可以采用单个传热回路或多个串联的传热回路的形式。在多个传热回路串联连接的情形，本发明的检测装置的接合装置可以连接在组合式传热回路结构的任一端。
11.此外，传热回路可以是一水平收集器或一垂直收集器的形式。
12.通过测量流体在进入地源热交换器的管道系统之前和离开地源热交换器的管道系统之后的流速和/或压力，本发明的检测装置使操作员能够识别任何显著的流量/流体压力的变化，这可能表明管道系统出现堵塞或限制，或者实际上是安装中的其他故障例如泄漏。
13.优选地，所述装置可以配置为沿一第一方向或一第二方向输送流体流通过地源热交换器的管道系统，其中所述第二方向与所述第一方向相反。
14.可以理解的是，具有使流体反向流过地源热交换器的管道系统的能力使得所述检测装置能够识别管道系统中可能仅阻碍流体沿一个方向流过管道系统的堵塞或扭结。
15.进一步优选地，所述流体泵送装置可以构造成可逆的，使得流体可以沿所述第一或所述第二方向泵送通过所述管道系统。
16.或者，所述第一和第二流体导管可以额外地经由一阀组件连接，该阀组件设置为管理经由所述热交换器接合装置进入/离开地源热交换器的管道系统的流体的流动方向。
17.可以理解的是，使用一阀组件可以使流体流过地源热交换器管道的方向反转，而无需改变流过检测系统中各种其他组件(例如流量计、泵送装置、过滤器、观察窗、排放阀)的流动方向。
18.优选地，该装置可以进一步包括一储罐形式的集成流体源，并且其中该储罐连接到所述流体导管和所述流体泵送装置中的至少一个。
19.可以理解的是，为所述检测装置提供机载流体储存器使得该装置能够快速部署到不同检测地点的地源热交换器，包括没有接入自来水供应的地点。
20.进一步优选地，所述储罐可以连接到所述第一流体导管和所述第二流体导管，使得在使用所述检测装置时，由地源热交换器的管道系统和所述检测装置形成一完整的环路。
21.可以理解的是，通过经由所述地源热交换器的管道系统和所述储罐的连接所述第一和第二流体导管以形成一完整的环路，可以使来自所述储罐的流体通过所述第一流体导管再循环进入所述管道系统并通过所述第二流体导管返回所述储罐。以这种方式，本发明的检测装置更有效地使用在检测管道系统中使用的流体，例如水。
22.优选地，该装置可以进一步包括位于所述第一和/或所述第二流体导管上的至少一个流体处理系统。
23.进一步优选地，所述流体处理系统可以是一过滤单元。可以理解，提供一过滤单元以从检测流体中去除微粒，从而提供保护以防止在地源热交换器的管道系统中或在检测装置使用的流量计/压力监测器中形成堵塞。
24.就此而言，进一步优选地，过滤器可以设置在所述流量计/压力监测器的任一侧以考虑通过检测系统的流体流的反向(例如可逆泵送装置)。
25.优选地，该装置可以进一步包括位于所述第一和/或所述第二流体导管上的至少一消毒装置。进一步优选地，所述消毒装置可以选自由杀生物剂输送模块、紫外线光源、巴氏灭菌模块或其任意组合组成的组。
26.可以理解的是，采用消毒装置可以降低地源热交换器管道内细菌菌落生长的可能性，否则可能会导致生物膜的形成，随着时间的推移，生物膜会影响通过工作的地源供暖系
统的流体流动。
27.优选地，该装置可以进一步包括位于所述第一和/或所述第二流体导管上的至少一个排放阀。可以设想的是，操作所述排放阀以帮助从检测系统内流动的流体中清除不需要的气泡和微粒。优选地，所述排放阀可用于在从所述流量计/压力监测器收集流体流量/压力数据之前排空系统。
28.优选地，该装置可以进一步包括设置在所述第一和/或所述第二流体导管中的至少一观察窗。进一步优选地，所述观察窗至少设置在所述第二流体导管上，使得可以对离开管道系统的流体进行目视检查。
29.可以理解的是，在本发明的流体在两个方向上流过所述第一和所述第二流体管道实施例中，特别有用的是在所述第一和所述第二管道上都提供观察窗，以便在通过系统的流动相反时能够目视检查流体。
30.在使用排放阀的情况下，在所述阀的任一侧提供观察窗以提供任何系统净化的视觉确认也可能是有益的。
31.除上述检测装置外，本发明还提供了一种如权利要求12所述的检测地源热交换器传热回路的完整性的方法。
32.一种检测地源热交换器管路完整性的方法，所述方法包括：a)将一流体源通过流体导管连接至一地源热交换器的管道系统，以形成一流体流路通过所述管道系统的检测系统；b)对所述检测系统的所述流体流路泵送流体；c)在所述流体进入所述管道系统之前和之后测量流体流速和/或流体压力，并比较所述管道系统上游和下游的流体流速和/或流体压力，以确定与所述管道系统相关的流体流速/流体压力的任何变化。
33.通过比较离开一地源热交换器的管道系统的流体的流速/压力与进入管道的流体的流速/压力，操作员可以确定所述地源热交换器完整性可能存在的问题。
34.可以理解的是，测量流体流速和流体压力两者使操作员能够及时识别可能损害地源热交换器系统的有效运行的管道系统的故障。
35.优选地，该方法可以进一步包括反转流体流过地源热交换器的管道系统的方向并且重复对流体执行的测量(即流体流速/压力)的步骤。
36.可以理解的是，通过管道系统双向检测流体流动会增加识别故障(例如堵塞/限制)的可能性，否则这些故障仅在单一流体流动方向条件下检测地源热交换器的传热回路时则可能无法识别。
37.优选地，该方法可以进一步包括一以打印输出或电子方式记录获得的结果的步骤。创建检测结果的记录允许安装特定的传热回路或一系列连接的传热回路，以帮助在安装地源热交换器系统的其他组件(例如热泵、连接导管、歧管、调节设备或收集器回路上的任何其他部件)之前签核适合的目的。
38.优选地，流体源可以是一储罐并且泵送通过检测系统的流体经由所述储罐再循环。
39.可以理解的是，重新使用存储的检测流体储器有助于减少检测装置对环境的影响。此外，它使该方法能够在可能没有方便的流体源(例如自来水)的更多位置进行。
40.优选地，该方法可以进一步包括过滤流体以去除否则可能在检测系统内积聚的微粒的步骤。如上所述，过滤检测流体可以防止微粒积聚，否则可能会损坏流量计/压力监测
器等。
41.优选地，该方法可以进一步包括对流体进行消毒以防止细菌在检测系统内积聚。进一步优选地，可以通过以下方式对流体进行消毒：i)将杀生物剂引入流体中；ii)使流体经受紫外光和/或加热以杀死流体中的细菌；iii)i)和ii)的组合。
42.如上所述，对流体进行消毒可以降低细菌菌落在地源供暖钻孔的管道系统内生长的可能性，否则可能会导致生物膜的形成，随着时间的推移，生物膜会影响通过工作的地源供暖系统的流体流动。
附图说明
43.图1为地源热交换器的垂直收集器的管道系统与本发明第一实施例的检测装置组成的检测系统的示意图；和
44.图2为地源热交换器的垂直收集器的管道系统与本发明第二实施例的检测装置组成的检测系统示意图。
具体实施方式
45.应当理解，虽然所采用的地源供暖钻孔的深度可以因地点而异，但是70-250m之间的钻孔深度并不少见。鉴于此，为了从地下提取热量，通常在钻孔内布置约150-500m的管道传热环路以促进流体泵入和泵出钻孔。这些值作为示例提供而不应当认为是对本发明的限制。
46.应当理解，为了便于说明，地源供暖钻孔和相关联的管道系统4在图1中以截断的形式示出。
47.第一实施例的检测装置包括一第一流体导管2和一第二流体导管3。在使用中，检测装置的第一流体导管2通过一第一热交换器接合装置6与管道系统4的一端形成流体连接。继而，第二流体导管3使用一第二热交换器接合装置7与管道系统环路4的另一端形成流体连接。
48.可以理解的是，在采用串联连接的一系列传热回路的热交换器中，第一和第二接合装置将改为连接在组合式传热回路结构的任一端。应当理解，以下描述仍然适用，但可能有较长距离的管道系统将第一和第二接合装置分开。
49.技术人员将理解，第一和第二热交换器接合装置6、7可以以任何连接机构的形式提供(例如，螺纹配合、压缩配合、电熔接头、夹具)，以确保流体密封连接足够稳固，以承受在本发明的检测方法中使用的增加的流体压力。
50.本领域技术人员将理解，施加到检测系统的压力水平将因系统而异。通常，所涉及的压力会随着地源热交换器中使用的管道系统(例如，单个传热回路或并联连接的多个传热回路)的长度而增加。
51.在图1所示的优选实施例中，第一和第二流体导管2、3的相对端连接到具有一辅助泵9的一流体储罐8，它们也形成检测装置的一部分。
52.在使用中，当检测装置固定为与地源供暖钻孔的管道系统4流体连通时，形成具有一连续流体流动路径的检测系统1。使用泵9，然后可以使来自储罐8的流体沿检测系统1的流动路径循环。
53.在图1所示的实施例中，泵9能够产生在一第一方向(由实线箭头表示)或在一第二相反方向(由虚线箭头表示)从储罐循环遍及整个检测系统的流体流。
54.在图1所示的优选检测系统1中，调节阀10、10a设置在第一和第二流体导管2、3上以允许改变从储罐8泵送的流体的流速。
55.第一和第二流量计11和12分别设置在第一和第二流体导管2、3上，使得它们位于管道系统4的任一侧。这样，检测装置可以在流体通过管道系统4之前和之后测量流体的流速。然后可以比较从流量计11和12收集的数据，以识别由管道系统4引起的流体流速的任何显著差异。
56.可以理解，在最基本的情况下，来自所述两个流量计的读数可以简单地显示在检测装置上以供操作员检查。然而，在更复杂的系统中，来自流量计的数据可能会自动记录，以便将数据传输到一计算机或打印机。
57.可以理解，当泵9以在第一方向(如实线箭头所示)上运行循环流体时，第一流体导管2上的流量计11测量上游流体流速(即，在管道系统4之前)而第二流体导管3上的流量计12测量下游流体流速(即在管道系统4之后)。
58.然而，当泵9操作以使流体沿第二、相反方向(如虚线箭头所示)循环时，第二流体导管3上的流量计12测量上游流体流速(即，在管道系统4之前)而第一流体管道2上的流量计11测量下游流体流速(即，在管道系统4之后)。
59.应当理解，可以提供过滤器和/或处理装置13以保护流量计11、12免于被检测系统内的材料(例如塑料屑、生物材料或其他微粒)损坏。
60.图2示出了检测系统20的一替代优选实施例，该检测系统20包括本发明的另一个检测装置，该检测装置连接到在地面5的表面下形成的地源供暖钻孔的管道系统4。
61.再次与图1一样，为了便于说明，地源供暖钻孔和管道系统4的传热回路在图2中以截断的形式示出。
62.第二实施例的检测装置包括第一流体导管21和第二流体导管22。在使用中，检测装置的第一流体导管21通过一第一热交换器接合装置23与管道系统4的一端形成流体连接。
63.然后，第二流体导管22使用第二热交换器接合装置24与管道系统4的另一端形成流体连接。如上文参照图1中所示的优选实施例所述，本领域技术人员将理解可以采用各种适当的连接机构以在检测装置和地源供暖钻孔的管道系统4之间实现期望的流体密封、耐压连接。
64.与图1所示的检测装置一样，第二实施例的检测装置也设置有一流体储罐25，作为检测系统内使用的流体的流体源。
65.然而，相比之下，图2所示的检测装置没有采用双向泵，该双向泵被配置为从所述储罐沿整个检测系统在两个方向上循环流体。相反的是，位于第一流体导管21上并邻近调节阀27的泵26操作以仅在第一方向上从储罐泵送流体。结果，流过第一和第二流体导管的大部分的流体仅在一个方向上。
66.图2所示的优选实施例采用包括四个阀28a、28b、28c、28d的阀组件，而不是通过反转流体在整个系统中的流动方向来改变通过管道系统4的流动方向。所述阀组件可操作以通过改变使用热交换器接合装置23、24中的哪一个来将流体供给到管道系统4来改变流动
方向。
67.通过进一步的解释，从图2中可以理解，当通过管道4的流体流沿第一方向时，阀28a和28d打开而阀28b和28c关闭。而当通过管道系统4的流体流动要反向时(即沿第二方向流动)，阀28b和28c打开而阀28a和28d关闭。
68.应当理解，通过简单地操作阀组件的阀，可以使流体沿交替方向流过管道系统4，同时贯穿检测系统20的其余部分的流动方向保持相同。
69.与本发明第一实施例的检测装置一样，图2所示的检测装置也设置有一对流量计29、30，第一流量计29设置在第一流体导管21上并位于管道系统4的上游，而第二流量计30设置在第二流体管道22上并位于管道系统4的下游。
70.如上所述，比较流体通过管道系统4之前和之后的流量测量值可以帮助识别管道系统的故障，例如堵塞/限制和/或泄漏。
71.可以理解，还可以通过使用压力监测器31和32监测流体流过管道系统4之前和之后的压力来进一步评估管道系统4的完整性。
72.与流量计29、30一样，第一压力监测器31设置在第一流体导管21上并位于管道系统4的上游，而第二压力监测器32设置在第二流体导管22上并位于管道系统4的下游。
73.此外，与流量计一样，最基本的是，来自两个压力监测器31、32的读数可以简单地显示在检测装置上以供操作员检查。然而，在更复杂的系统中，数据将被记录下来，以便传输到一打印输出机器或计算机，在那里可以比较数据。
74.尽管图1所示的检测组件中仅示出压力监测器，但应理解，也可将一对合适的压力监测器分别添加到第一和第二流体导管以增强检测装置对管道系统4故障的灵敏度。
75.图2中所示的检测装置进一步设置有一处理单元33，其在流体流过第一流体导管21流向管道系统4时对其进行处理。可以理解，所述处理单元可以对流体应用各种处理。
76.特别地，与第一实施例的检测装置一样，处理单元33包括过滤装置以帮助物理地从流体中去除不需要的物质(例如微粒)。此外，处理单元还可以包括消毒装置以去除/杀死流体中可能存在的不需要的细菌。
77.就此而言，合适的消毒装置的例子包括：紫外光处理装置、热处理装置和杀菌剂应用器。技术人员将理解，在不脱离本发明的一般概念的情况下，也可以采用对流过检测系统的流体进行消毒的其他方法。
78.此外，或可选地，本发明的检测装置可以包括在第一和/或第二流体导管上的至少一个排放阀，以允许截留在流体中的空气和微粒从检测系统中清除。图2所示的实施例具有一排放阀34，其提供在第二流体管道上的流量计和压力监测器之后。
79.图2所示的检测装置还在放泄阀34的下游设置有一观察窗35。观察窗35允许对检测系统内流动的流体进行目视检查。
80.参考图1和2所示的检测系统，现在将描述本发明的方法。
81.一旦安装了地源热交换器，例如地源供暖钻孔及其相关的管道系统(即传热回路)，本发明的检测装置可以连接到热交换器管道系统的两端。
82.虽然通常认为，检测装置将在热交换器部署在地下后连接到管道系统，但也可以理解，本发明的检测系统也可用于在管道系统安装到地下之前对其进行检测。通过这种方式，可以将管道系统的预安装特性和完整性与已安装管道系统的特性和完整性进行比较，
以识别安装过程引入的故障。
83.如上所述，在管道系统和检测组件之间形成的连接的性质使得加压流体可以泵送通过检测系统而检测装置没有任何压力损失。
84.然后使用泵，流体从流体储罐通过地源热交换器的管道系统泵送经由流动路径回到储罐。沿检测系统的流动路径提供传感器(例如流量计/压力监测器)，以测量流体在到达管道系统之前和离开管道系统之后的特性。
85.然后比较这些测量值以查看上游值和下游值之间是否存在任何显著差异。如果测量值之间存在显著差异，则表明管道安装存在故障(例如堵塞/部分堵塞、泄漏)。
86.在本发明的方法的优选实施例中，随后反转通过管道系统的流动方向并且从新的上游和下游位置收集第二组测量值。
87.与第一组收集值一样，将上游和下游值相互比较，以识别测量值之间的显著差异。然而，此外，第二组值也与第一组收集到的值进行比较，以识别显著差异，这些差异可能表明存在仅在单个流动方向上有效的阻塞/限制。
88.在管道系统安装之前进行检测的情况下，这些结果也可以与使用本发明的检测装置从已安装的地源热交换器收集的结果进行比较。

技术特征：
1.一种地源热交换器检测装置，包括：一第一流体导管，设置有一第一流量计和/或压力监测器以及一第一热交换器接合装置；一第二流体导管，设置有一第二流量计和/或压力监测器以及一第二热交换器接合装置；其中，所述第一和第二热交换器接合装置配置为与一地源热交换器的管道系统形成流体密封连接，该流体密封连接产生一经由所述管道系统穿过所述第一和第二流体导管的流动路径；和一流体泵送装置，其可连接到一流体源，配置为在经由所述管道系统穿过所述第一和第二流体导管的流动路径内产生一流体流。2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，该装置配置为在一第一或一第二方向上通过所述地源热交换器的管道系统输送流体流，其中所述第二方向与所述第一方向相反。3.如权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述流体泵送装置配置为可逆的，使得流体可以沿所述第一或所述第二方向泵送通过所述管道系统。4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述第一和第二流体导管另外通过一阀组件连接，该阀组件配置为管理流体通过所述热交换器接合装置进入/离开地源热交换器的管道系统的流动方向。5.根据前述权利要求之一所述的检测装置，其特征在于，还包括一储罐形式的集成流体源，并且其中所述储罐连接到所述流体导管和所述流体泵送装置中的至少一个。6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述储罐连接到第一和第二流体导管两者，以便在使用中，由地源热交换器的管道系统和所述装置形成一完整的回路。7.根据前述权利要求之一所述的检测装置，其特征在于，还包括位于所述第一和/或第二流体导管上的至少一个过滤装置。8.根据前述权利要求之一所述的检测装置，其特征在于，还包括位于所述第一和/或第二流体导管上的至少一个消毒装置。9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述消毒装置选自由杀生物剂递送模块、紫外线光源、巴氏灭菌模块或其任意组合组成的组。10.根据前述权利要求之一所述的检测装置，其特征在于，还包括位于所述第一和/或第二流体导管上的至少一个排放阀。11.根据前述权利要求之一所述的检测装置，其特征在于，还包括设置在所述第一和/或第二流体导管中的至少一个观察窗。12.一种检测地源热交换器管道完整性的方法，所述方法包括：a)将流体源通过流体导管连接到地源热交换器的管道系统，以形成具有穿过所述管道系统的流体流路的检测系统；b)在检测系统的流体流动路径泵送流体；和c)在流体进入所述管道系统之前和之后测量流体流速和/或流体压力，并比较所述管道系统上游和下游的流体流速和/或流体压力，以确定与所述管道系统相关的流体流速/流体压力的任何变化。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：反转流体流过地源热
交换器管道系统的方向，并重复对流体进行的测量。14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述流体源是一储罐，通过检测系统泵送的流体通过所述储罐再循环。15.根据权利要求12-14之一所述的方法，其特征在于，还包括过滤流体以去除否则可能在检测系统内积聚的微粒的步骤。16.根据权利要求12-15之一所述的方法，其特征在于，还包括对流体进行灭菌以防止检测系统内细菌的积聚。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，液体通过以下方式灭菌：i)将杀生物剂引入流体中；ii)使流体经受紫外光和/或加热以杀死流体中的细菌；iii)i)和ii)的组合。18.根据权利要求12-17之一所述的方法，其特征在于，所述热交换器管道系统包括一单个传热回路或连接在一起的多个传热回路。19.根据权利要求12-18之一所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述管道系统下游的流动路径中的一点处提供一观察窗，并在流体流过所述观察窗时目视监测流体。20.根据权利要求12-19之一所述的方法，其特征在于，还包括在执行步骤c)之前操作至少一个排放阀以从检测系统中排出流体中的空气和/或微粒。21.根据权利要求12-19之一所述的方法，其特征在于，在将所述管道系统安装在地下之前和之后检测所述管道系统的完整性，然后比较步骤c)中收集的测量结果，以识别管道系统安装过程中可能形成的故障。

技术总结
本发明提供了一种用于评估地源热交换器装置的性能和完整性的检测装置和相关方法。所述检测装置配置为与地源热交换器的管道系统形成流体密封、耐压连接，以形成一检测系统。在流体泵送通过检测系统时，测量流量和/或流体压力。通过收集流体在通过管道系统之前和之后的数据，检测装置使操作员能够识别上游和下游值的差异，这些差异可能指示管道系统中的故障。优选地，流体在一第一流动方向和随后在一第二流动方向上循环通过管道系统，并且比较为这两个方向收集的测量值以提供管道系统中可能的故障的进一步细节。能的故障的进一步细节。能的故障的进一步细节。


技术研发人员：杰夫
受保护的技术使用者：艾里森环境服务有限公司
技术研发日：2021.10.15
技术公布日：2023/8/24