專利名稱：一種地源熱泵模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種垂直地理管地源熱泵模擬裝置，具體地說涉及地源熱泵系統中循環水、回填材料以及土壌三者之間熱交換過程的模擬。
背景技術：
地源熱泵系統是ー項利用淺層地熱資源進行供暖、制冷和熱水供應的綠色環保空調技術，包括地理管地源熱泵、地表水地源熱泵和地下水地源熱泵。以土壤作為冷熱源的地理管地源熱泵系統主要由地埋管換熱系統、土壤源熱泵機組和室內采暖空調末端系統組成。地埋管換熱系統由地理管換熱器、循環水泵以及充有循環液(主要是水或以水為主要成分的防凍液)的循環管路組成。地理管換熱器是地埋管地源熱泵系統的技術關鍵，其換熱能力的大小直接影響地源熱泵系統的效能。我國的地源熱泵事業起步較晚，對地源熱泵的探索性研究借鑒了國外的技術和成果，研究工作多以實際的地源熱泵工程為基礎。由于地源熱泵項目投資成本高，鉆井深度大，巖土體不均一以及地下水滲流，導致對地理管換熱器在土壌中復雜的傳熱、傳質耦合過程的研究欠深入，已有研究成果也難以有效應用于實際工程。因此，開發ー種地源熱泵模擬換熱裝置對于科研工作和實際工程應用具有重要的指導意義。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術無法準確合理地將地源熱泵系統模擬化的不足而提供ー種地源熱泵模擬裝置，以模擬實際工程中的地理管換熱原理為基礎，為地源熱泵技術的研究提供了一種可行技術方案。本發明的具體技術方案如下
ー種地源熱泵模擬裝置，它包括
一地層模擬系統，包括地秤、不銹鋼套筒、土壌、鉆孔、蓋板和恒溫水浴鍋，所述不銹鋼套筒設于地秤之上，土壌及鉆孔設于不銹鋼套筒內，蓋板封蓋于不銹鋼套筒上，恒溫水浴鍋及不銹鋼套筒通過管路構成水循環回路；
ー換熱器模擬系統，包括回填材料、U形管、低溫恒溫槽、自吸清水泵、流量計、三通及閥門，所述U形管設于回填材料內，三通、閥門、低溫恒溫槽、自吸清水泵、流量計、三通、閥門通過管路依次連接后，連接于U形管的兩端ロ，構成水循環回路；
一數據采集系統，包括溫濕度記錄儀、PTlOO型熱電阻及溫濕度變送器，所述PT100型熱電阻及溫濕度變送器連接溫濕度記錄儀；其中
所述換熱器模擬系統的回填材料設于地層模擬系統的鉆孔內，數據采集系統的PTlOO 型熱電阻設于地層模擬系統的土壌中。所述蓋板為ー個透明塑料蓋板，其上開有數組同心圓的孔，PT100型熱電阻插入其孔中。所述循環水、U形管、回填材料三者之間可直接進行熱交換；U形管為DN25的PElOO地源熱泵專用管；各管道外壁和不銹鋼套筒外壁均包覆有聚氨酯保溫材料；回填材料為水泥基灌漿料，其成分為水泥、天然河砂、膨潤土、減水劑、水以及硅灰、鋼渣礦物摻合料。所述低溫恒溫槽內膽容積為10 30L，溫度范圍-5 100°C，采用微機控溫、自動控制(PID)調節，高、低溫兩檔切換；流量計記錄流經循環管道的體積流量，測量范圍為O 20L/mino所述溫濕度記錄儀有20 40個通道，自動記錄和保存數組由PT100型熱電阻和溫濕度變送器傳輸的數據。所述PT100型熱電阻為四氟材料，量程為O 50°C，分度值為O. ore ;用于測量土壌溫度的PTioo型熱電阻經蓋板定位后插入土壌的不同深度，再連接到溫濕度記錄儀；用于測量循環水進出ロ水溫的PTlOO型熱電阻分別接在兩個三通上，再連接到溫濕度記錄 儀。所述溫濕度變送器用于測量大氣的溫、濕度，連接到溫濕度記錄儀。本發明可用于研究在地理管換熱器作用下不同深度、不同徑向土壤層的溫度分布，進而考察土壌中的熱交換規律，實現對傳熱模型的計算與驗證；可用于考察不同回填材料對總換熱效果的影響，實現對回填材料的篩選和評價；還可用于研究冷、熱エ況下不同循環水流量對換熱量的影響等。本發明利用循環水與土壌的溫度差，借助PE管和回填材料來實現換熱，能保證一定時間內的連續穩定運行。通過對氣溫突變、地下水流動、地質結構復雜等不穩定因素進行簡化，為地源熱泵的研究創造了有利條件。
圖I為本發明結構示意 圖2為本發明土壤測溫點分布 圖3為本發明制冷エ況下不同深度土壤層的溫度變化曲線 圖4為本發明制冷エ況下不同徑向土壤層的溫度變化曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進ー步說明
參閱圖1，本發明包括三個系統一地層模擬系統、換熱器模擬系統和數據采集系統。其中，地層模擬系統包括地秤I、不銹鋼套筒2、土壌3、鉆孔4、蓋板5和恒溫水浴鍋6，不銹鋼套筒2設于地秤I之上，土壌3、鉆孔4設于不銹鋼套筒2內，蓋板5封蓋于不銹鋼套筒2上，恒溫水浴鍋6、不銹鋼套筒2通過管路構成水循環回路。換熱器模擬系統，包括回填材料7、U形管8、低溫恒溫槽11、自吸清水泵12、流量計13、三通9及閥門10，所述U形管8設于回填材料7內，三通9、閥門10、低溫恒溫槽11、自吸清水泵12、流量計13、三通9、閥門10通過管路依次連接后，連接于U形管8的兩端ロ，構成水循環回路。數據采集系統，包括溫濕度記錄儀14、PT100型熱電阻15及溫濕度變送器16，所述PT100型熱電阻15及溫濕度變送器16連接溫濕度記錄儀14。所述的U形管8為單U形管或雙U形管，為雙U形管時，鉆孔4尺寸應相應増大。
所述PTlOO型熱電阻15為四氟材料，量程為O 50°C，分度值為0.01 °C ;用于測量土壌溫度的PTioo型熱電阻15經蓋板定位后插入土壌的不同深度，再連接到溫濕度記錄儀14 ;用于測量循環水進出ロ水溫的PT100型熱電阻15分別接在兩個三通9上，再連接到溫濕度記錄儀14。本發明換熱器模擬系統的原理如下(以加熱エ況為例):循環水經低溫恒溫槽11加熱至目標溫度，由自吸清水泵12輸送至管路中，途徑流量計13、閥門10等附件，流入U形管8中，循環熱水經U形管壁與回填材料7進行換熱，會引起回填材料7的溫升，這又會引起土壌3的溫度變化。真實地反映實際工程中復雜的傳熱傳質耦合過程。所述的地秤I用于測量土壌3的重量，通過一定填充體積內所填土壌的重量，計算其密實度，與天然地層的密實度進行對比，選取修正系數。所述的不銹鋼套筒2的直徑為I. 5 3m、高I. 5 3m，筒壁設有保溫夾套，通過管 路與恒溫水浴鍋6連接；筒內填滿土壤3，可為粘土、砂土、巖土或黃土，將士壤填實后，于中心處開ー個直徑為O. I O. 2 m的鉆孔4，用于模擬實際工程中的鉆孔壁。參閱附圖2，本發明通過在土壌中布置不同深度和不同徑向的測溫點，可得到溫度場分布，為換熱模型的計算和驗證提供實驗數據。所述的測溫點分布為在不銹鋼套筒的徑向上，以鉆孔4中心為圓心，分布了包括鉆孔壁和套筒內壁在內的6個同心圓，用于布置PT100型熱電阻15的測溫點；在深度方向，分布有頂層-O. 2m、中層-O. 8m和底層-I. 4m三個測溫層。實施例I
參閱圖3，利用本發明，在制冷エ況下(循環水溫度設為0°C，流量為3. 3 L/min)，研究不同深度土壤層溫度隨運行時間的變化規律。從圖中可以看出，表層土壤(-0. 2m)受換熱管和外界影響最為顯著，在最初20h內土壌溫度急劇下降，之后變化較小，并表現出隨著大氣溫度波動而波動的現象。圖中表明，表層土壤的溫度變化滯后于氣溫變化2 3h。隨著土壌深度的増加，土壌溫度下降幅度減小。達到換熱平衡后，-O. Sm溫度層呈現為穩定狀態。而對于最底層的-1. 4m 土壌，其平均溫度幾乎不受換熱管影響。可見，土壌深度越大，傳熱作用越弱，表層土壤受氣溫和熱傳遞影響最大。土壌溫度的變化相對于大氣溫度有不同程度的延遲和衰減，土壌越深延遲越大，這對垂直埋管地源熱泵的供冷供熱是十分有利的。因為冬季需供熱時，氣溫最低，而土壤溫度非最低水平；夏季需制冷時，氣溫最高，而土壤溫度非最高水平。實施例2
參閱圖4，利用本發明，在制冷エ況下(循環水溫度設為0°C，流量為3. 3L/min)，研究不同徑向土壌溫度隨運行時間的變化規律。離換熱管最近的徑向O. 195m 土壤層，在初始的20h內溫度急劇下降，后來表現出隨著大氣溫度的波動而波動和延遲的現象。中間兩個徑向層的溫度(O. 335m、0. 470m)隨運行時間的延長緩慢下降，后期趨于穩定。徑向O. 610m 土壤層離換熱管最遠，加上聚氨酯保溫材料的作用，只表現出自身的蓄熱作用和環境依賴效應。可見，不同徑向的土壤層隨大氣溫度的變化有不同程度的延遲和衰減；離換熱管越近的土壤層換熱效果越顯著，越遠的土壤層換熱效果越弱。根據溫度分布，也可得到本裝置的熱作用半徑為O. 55 O. 61m。實施例3
利用本發明，在加熱エ況(循環水40°C，流量3. 7L/min)下，運行168h，根據換熱結果計算鉆孔內的換熱模型，簡要計算過程和結果如下
I)鉆孔內一維導熱模型
阻項I計算值(K m/w) I所占 流體至PE管的熱阻0.0137. 39%
PE 管熱阻0.05431. 75%
灌漿料熱阻せ· 104160.86%
各部分熱阻計算結果如上表所示。鉆孔內總熱阻為三者之和，為O. 170 ICm/W，其中灌漿料熱阻占鉆孔內熱阻的主要部分，這也證明了研究灌漿材料的重要意義。按已有測溫點的溫度估算鉆孔壁溫度Tb為27. 22°C，再按等效熱阻模型計算得熱流密度q=75. 00W/m。2) 鉆孔內ニ維導熱模型
按此模型計算結果如下流體至PE管外壁的熱阻為O. 092 K-m/ff, PE管外壁至鉆孔壁的熱阻為O. 070 K.m/W。鉆孔內總熱阻為兩者之和，為O. 162 K.m/W。同樣以鉆孔壁溫度Tb=27. 22°C，計算得熱流密度 q=78. 94 W/m。可見，在較長時間連續運行下，按ー維和ニ維導熱模型計算的鉆孔內總熱阻和熱流密度都能較好吻合，表明本裝置用于地源熱泵理論研究具有良好的可靠性。
權利要求
1.一種地源熱泵模擬裝置，其特征在于該裝置包括 一地層模擬系統，包括地秤(I)、不銹鋼套筒(2)、土壤(3)、鉆孔(4)、蓋板(5)和恒溫水浴鍋(6)，不銹鋼套筒(2)設于地秤(I)之上，土壤(3)及鉆孔(4)設于不銹鋼套筒(2)內，蓋板(5 )封蓋于不銹鋼套筒(2 )上，恒溫水浴鍋(6 )及不銹鋼套筒(2 )通過管路構成水循環回路； 一換熱器模擬系統，包括回填材料(7)、U形管(8)、低溫恒溫槽(11)、自吸清水泵(12)、流量計(13)、三通(9)及閥門(10)，U形管(8)設于回填材料(7)內，三通(9)、閥門(10)、低溫恒溫槽(11)、自吸清水泵(12 )、流量計(13 )、三通(9 )、閥門(10 )通過管路依次連接后，連接于U形管(8)的兩端口，構成水循環回路； 一數據采集系統，包括溫濕度記錄儀(14)、PT100型熱電阻(15)及溫濕度變送器(16)，PT100型熱電阻(15)及溫濕度變送器(16)連接溫濕度記錄儀(14);其中 所述換熱器模擬系統的回填材料(7)設于地層模擬系統的鉆孔(4)內，數據采集系統的PT100型熱電阻(15)設于地層模擬系統的土壤(3)中。
2.根據權利要求I所述的地源熱泵模擬裝置，其特征在于蓋板(5)為一個透明塑料蓋板，其上開有數組同心圓的孔，PT100型熱電阻(15)插入其孔中。
3.根據權利要求I所述的換熱器模擬系統，其特征在于U形管(8)為DN25的PE100地源熱泵專用管；各管道外壁和不銹鋼套筒(2)外壁均包覆有聚氨酯保溫材料；回填材料(7)為水泥基灌漿料，其成分為水泥、天然河砂、膨潤土、減水劑、水以及硅灰、鋼渣礦物摻合料。
4.根據權利要求I所述的地源熱泵模擬裝置，其特征在于低溫恒溫槽(11)內膽容積為10 30L，溫度范圍-5 100°C，采用微機控溫、自動控制調節，高、低溫兩檔切換；流量計(13)記錄流經循環管道的體積流量,測量范圍為0 20L/min。
5.根據權利要求I所述的地源熱泵模擬裝置，其特征在于溫濕度記錄儀(14)有20 40個通道，自動記錄和保存數組由PT100型熱電阻(15)和溫濕度變送器(16)傳輸的數據。
6.根據權利要求I所述的地源熱泵模擬裝置，其特征在于PT100型熱電阻(15)為四氟材料，量程為0 50°C，分度值為0. 01°C ;用于測量土壤溫度的PT100型熱電阻(15)經蓋板(5)定位后插入土壤(7)的不同深度，再連接到溫濕度記錄儀(14);用于測量循環水進出口水溫的PT100型熱電阻(15)分別接在兩個三通(9)上，再連接到溫濕度記錄儀(14)。
7.根據權利要求I所述的地源熱泵模擬裝置，其特征在于溫濕度變送器(16)用于測量大氣的溫、濕度，連接到溫濕度記錄儀(14)。
全文摘要
本發明公開了一種地源熱泵模擬裝置，它包括地層模擬系統、換熱器模擬系統和數據采集系統；地層模擬系統由地秤、不銹鋼套筒、土壤、鉆孔、蓋板和恒溫水浴鍋組成；換熱器模擬由回填材料、U形管、低溫恒溫槽、自吸清水泵、流量計、三通及閥門組成；數據采集系統由溫濕度記錄儀、PT100型熱電阻及溫濕度變送器組成；所述換熱器模擬系統的回填材料設于地層模擬系統的鉆孔內，數據采集系統的PT100型熱電阻設于地層模擬系統的土壤中。本發明可用于研究在地埋管換熱器作用下不同深度、不同徑向土壤層的溫度分布，進而考察土壤中的熱交換規律，實現對傳熱模型的計算與驗證；可用于考察不同回填材料對總換熱效果的影響，實現對回填材料的篩選和評價；還可用于研究冷、熱工況下不同循環水流量對換熱量的影響等。
文檔編號G01N25/20GK102680515SQ201210169949
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者傅樂峰, 馮中軍, 沈軍, 王偉山, 鄒玲, 鄭柏存, 陳鑫 申請人:上海三瑞化學有限公司