地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置及其應用的製作方法

2023-06-14 01:13:56

專利名稱：地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程地源熱泵技術領域，尤其是涉及一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置及其應用。
背景技術：
地源熱泵技術是人們利用淺層地熱能的一種方式。淺層地熱能是地熱資源的一部分，資源豐富、分布廣泛、溫度穩定，開發技術臻於成熟，目前已廣泛應用於供暖和製冷，是一種很好的替代能源和清潔能源，具有綠色環保、高效節能、運行成本低、可持續利用、技術成熟、不消耗地下水等特點，應用前景廣闊。長期以來，地源熱泵系統的設計工作由暖通空調專業人士完成。他們從自身專業的角度出發，更為關心如何使地源熱泵系統穩定、高效、持續的運轉，側重於換熱系統本身。由於專業知識的局限，在設計中為確定埋管長度，單純計算冬季日最大熱負荷和夏季日最大冷負荷。實際工程中，冷熱負荷多數情況下是不相等的，地埋管式地源熱泵系統向地層排放的總熱量與吸收的總熱量並不相等，造成所謂的「熱失衡」問題。上海每年需要在夏季製冷的時間比需要在冬季制熱的時間幾乎長一倍，冷負荷遠大於熱負荷。若持續每年累計向地層排放的熱量大於向地層吸取的熱量，即使該地區地下恆溫帶每年只升高，10年後該地源熱泵系統便無法有效正常工作。恆溫地層的溫度一旦發生改變，勢必引起地層及所影響範圍內土的物理力學性質的改變，使原本穩定的地基土發生因溫度變化產生的熱擾動，嚴重的影響上部結構和地下建築的工程穩定性和安全性。所以地源熱泵系統的設計對於相關地層熱物性參數的選取尤為謹慎，長期以來地源熱泵熱換熱器的設計主要以進行地層的熱物性原位測試和經驗相結合的方法來獲取為主。上海基於地埋管式地源熱泵的工程實例尚不多，尚處在經驗數值的積累階段，設計需要的地層熱物性參數相對缺乏，因此每個地源熱泵工程前都要求進行原位巖土熱響應測試，需要在埋設地熱換熱器的現場鑽孔打井，測試時，地下埋管換熱器和測試系統內部的循環管道相連形成封閉環路，利用加熱器或熱泵向管路中的流體輸入熱量或冷量，當流體流經地下換熱器時與地下巖土進行熱交換，同時測得流體入口、出口溫度和流體流量等數據，從機器的入場到出場，需要耗費巨大的人力，物力以及時間，而且由於現場測試工作的簡化，只能測得地埋管所處土體所有地層的綜合熱導率，對地源熱泵長期運行後地下土層熱被環境效應(尤其是上海第四層淤泥質軟粘土層)的估量是不夠的。上海地區軟土地層分布廣、厚度大，淺層淤泥質粘土層尤其如此。淤泥質粘土不同於顆粒土的結構、力學和熱學物理特性，決定了土層溫度場變化的特殊性。地層出現熱失衡後的溫度場變化也呈現與其他類型地層相異的性質。淤泥質粘土層距離地層表面較近，由淤泥質粘土層熱失衡引發的「熱被效應」對整個地區的生態將有較大的影響。目前，在地源熱泵工程技術研究領域，尚無相關模型試驗裝置和方法來測試地層熱物性參數。與本發明相似的產品主要是各種現場原位熱響應測試的裝置及方法，而且主要涉及上海軟土地區的幾乎沒有，如山東建築工程學院地源熱泵研究所李曉東等人的發明專利「基於地源熱泵的可攜式巖土熱物性測試儀及其方法」(專利號:CN1815211A)、重慶大學丁勇等人的專利「地源熱泵地下換熱器的換熱量測試儀」(專利號:CN101299000A)、東南大學陳振乾等人的專利「地源熱泵低品位熱源熱響應遠程測試儀」(申請專利號:CN102012699A)以及南京大學李曉昭等人的專利「地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測試儀和測試方法」(申請專利號:CN102033079A)。此外還有一些發明專利大多是涉及現場地源熱泵施工技術方面的，對於地源熱泵的環境效應考慮甚少，能獲得熱交換土體的分層熱導率的發明專利更少。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置及其應用。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，包括模型箱、試驗用土模型、測量模塊、數據採集模塊、熱循環模塊和上位PC機，所述的試驗用土模型設在模型箱內，所述的測量模塊設在試驗用土模型中，所述的熱循環模塊與試驗用土模型連接，所述的數據採集模塊與測量模塊連接，所述的數據採集模塊與上位PC機連接。所述的模型箱的左、右、後立面和底面採用整塊4_厚的建築鋼板焊成並刷防鏽漆；前立面採用整塊Icm厚的密封不漏水的鋼化玻璃；模型箱內壁與試驗用土模型接觸的部位設有的隔熱層。所述的試驗用土模型為研究區域的原狀土體，根據相應的模型比設計厚度分層鋪設各土層。所述的測量模塊包括溫度傳感器、土壓計和孔壓計，所述的溫度傳感器測量熱循環模塊中的U形管迴路循環液體以及試驗用土模型中的土體不同位置處的溫度分布，土壓計、孔壓計分別精確測量熱流循環過程中試驗用土模型的土壓カ和孔隙水壓カ變化。所述的數據採集模塊包括溫度採集子系統和壓カ採集子系統，所述的溫度採集子系統與溫度傳感器連接，所述的壓力採集子系統分別與土壓計、孔壓計連接。所述的熱循環模塊包括U形管、低溫恆溫槽、電加熱器、集水箱和循環水泵，所述的U形管包括地上部分和地下部分，地下部分設在試驗用土模型內，所述的地上部分採用PPR管，所述的地下部分採用PE管。所述的低溫恆溫槽、電加熱器、集水箱和循環水泵提供恆定高溫或低溫的循環流體；低溫恆溫槽提供冷源循環液體模擬冬季工況；電加熱器、集水箱和循環水泵提供熱源循環液體模擬夏季エ況。所述的集水箱採用隔熱陶瓷水箱加工製作而成，使用時懸掛於牆上，頂蓋上設計了曝氣溢出孔，箱壁上設計了源水進水口、熱水出水ロ、循環回水口和高水位溢出口 4個液路出口，所述的源水進水ロ、熱水出水ロ、循環回水口均設有控制通斷的球閥；源水進水ロ連接自來水水源，實驗開始前先向集水箱中放入自來水到高水位溢出ロ所限定的最高水位，確保循環管路暢通並充滿熱流體，實驗開始後將源水進水口水閥微開，使熱流循環過程中所消耗的熱流體獲得補充。ー種源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置的應用，其特徵在於，包括以下步驟:I)確定所需研究的影響因素，根據柱源理論，考慮了循環熱流溫度、測點距離U形管管壁距離變量與溫度因素、時間因素和土性因素，確定變量與各影響因素的相關性和相關程度，模擬地埋管式換熱器在淺部地層的換熱情況，採用量綱分析法來確定各相似常數；首先選取涉及蓄熱引起的溫升和接觸傳熱的傅立葉數作為相似準則
權利要求
1.種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，包括模型箱、試驗用土模型、測量模塊、數據採集模塊、熱循環模塊和上位PC機，所述的試驗用土模型設在模型箱內，所述的測量模塊設在試驗用土模型中，所述的熱循環模塊與試驗用土模型連接，所述的數據採集模塊與測量模塊連接，所述的數據採集模塊與上位PC機連接。
2.據權利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的模型箱的左、右、後立面和底面採用整塊4_厚的建築鋼板焊成並刷防鏽漆；前立面採用整塊Icm厚的密封不漏水的鋼化玻璃；模型箱內壁與試驗用土模型接觸的部位設有的隔熱層。
3.據權利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的試驗用土模型為研究區域的原狀土體，根據相應的模型比設計厚度分層鋪設各土層。
4.據權利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的測量模塊包括溫度傳 感器、土壓計和孔壓計，所述的溫度傳感器測量熱循環模塊中的U形管迴路循環液體以及試驗用土模型中的土體不同位置處的溫度分布，土壓計、孔壓計分別精確測量熱流循環過程中試驗用土模型的土壓力和孔隙水壓力變化。
5.據權利要求4所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的數據採集模塊包括溫度採集子系統和壓力採集子系統，所述的溫度採集子系統與溫度傳感器連接，所述的壓 力採集子系統分別與土壓計、孔壓計連接。
6.據權利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的熱循環模塊包括U形管、低溫恆溫槽、電加熱器、集水箱和循環水泵，所述的U形管包括地上部分和地下部分，地下部分設在試驗用土模型內，所述的地上部分採用PPR管，所述的地下部分採用PE管。
7.據權利要求6所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的低溫恆溫槽、電加熱器、集水箱和循環水泵提供恆定高溫或低溫的循環流體；低溫恆溫槽提供冷源循環液體模擬冬季工況；電加熱器、集水箱和循環水泵提供熱源循環液體模擬夏季工況。
8.據權利要求6所述的一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置，其特徵在於，所述的集水箱採用隔熱陶瓷水箱加工製作而成，使用時懸掛於牆上，頂蓋上設計了曝氣溢出孔，箱壁上設計了源水進水口、熱水出水口、循環回水口和高水位溢出口 4個液路出口，所述的源水進水口、熱水出水口、循環回水口均設有控制通斷的球閥； 源水進水口連接自來水水源，實驗開始前先向集水箱中放入自來水到高水位溢出口所限定的最高水位，確保循環管路暢通並充滿熱流體，實驗開始後將源水進水口水閥微開，使熱流循環過程中所消耗的熱流體獲得補充。
9.種如權利要求1所述的地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置的應用，其特徵在於，包括以下步驟: 1)確定所需研究的影響因素，根據柱源理論，考慮了循環熱流溫度、測點距離U形管管壁距離變量與溫度因素、時間因素和土性因素，確定變量與各影響因素的相關性和相關程度，模擬地埋管式換熱器在淺部地層的換熱情況，採用量綱分析法來確定各相似常數； 2)確定模型材料，即待測試對象到模型土體的轉化與製備；3)模型試驗前期準備，包括製作模型箱，準備熱循環模塊、測量模塊、數據採集模塊，上位PC機調試； 4)進行模型試驗。
10.據權利要求9所述的地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置的應用，其特徵在於，所述的步驟4)具體為: (1)模型箱設計，建築鋼板焊成並刷防鏽漆，前立面為方便土層觀測，採用鋼化玻璃，夕卜加聚苯こ烯發泡塑料保溫材料； (2)填土前模型箱內鋪好隔熱材料，在需要埋置溫度傳感器的位置，預先使用PPR管進行佔位，待置入溫度傳感器後將PPR管抽離，將需要埋設的U形管放置在設定位置，根據模型設計確定的土層厚度開始向模型箱中自下而上地填土； (3)將試驗土每5cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然後用長木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，並灑水養護；砂土與粘土的交界面鋪ー層皺紋紙，以防止淤泥質粘土與粉砂相互混合；表層的褐黃色粉質粘土在鋪設前應用篩孔小於2_的篩子過篩，然後均勻鋪在模型箱中，並灑少量水溼潤； (4)土壓計按預設位置埋放，在粘土中埋放土壓計時，在其位置上挖ー個直徑5cm小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計，再用砂子蓋住，並輕輕壓實，使土壓計表面與土接觸緊密，同時可在滲壓計表面形成過濾層，便於量測； (5)模型土體製備好後，將其置於實驗室設定的恆溫、恆溼環境中一段時間，以減少填土過程對模型土體初始溫度場的影 響，模型箱上方覆蓋ー層土工布防止模型土水份的蒸發； (6)鋪土完成後用集水箱為砂層加水壓；自重固結，固結時間根據土層性質而定； (7)熱循環模塊連接調試運行，設定恆溫槽循環熱流溫度，開啟熱流循環及測量。
全文摘要
本發明涉及一種地源熱泵巖土熱響應測試室內模型試驗裝置及其應用，包括模型箱、試驗用土模型、測量模塊、數據採集模塊、熱循環模塊和上位PC機，所述的試驗用土模型設在模型箱內，所述的測量模塊設在試驗用土模型中，所述的熱循環模塊與試驗用土模型連接，所述的數據採集模塊與測量模塊連接，所述的數據採集模塊與上位PC機連接。與現有技術相比，本發明具有不僅可以計算地源熱泵地埋管設計所需換熱土體熱物性參數，也可研究由於地源熱泵系統長期運行引發的周圍土體的環境效應等優點。
文檔編號G01N25/20GK103091358SQ20111035053
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者唐益群, 任興偉, 周潔, 李珺, 王建秀, 楊坪 申請人:同濟大學