专利名称：一种地源热泵模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种垂直地理管地源热泵模拟装置，具体地说涉及地源热泵系统中循环水、回填材料以及土壌三者之间热交换过程的模拟。
背景技术：
地源热泵系统是ー项利用浅层地热资源进行供暖、制冷和热水供应的绿色环保空调技术，包括地理管地源热泵、地表水地源热泵和地下水地源热泵。以土壤作为冷热源的地理管地源热泵系统主要由地埋管换热系统、土壤源热泵机组和室内采暖空调末端系统组成。地埋管换热系统由地理管换热器、循环水泵以及充有循环液(主要是水或以水为主要成分的防冻液)的循环管路组成。地理管换热器是地埋管地源热泵系统的技术关键，其换热能力的大小直接影响地源热泵系统的效能。我国的地源热泵事业起步较晚，对地源热泵的探索性研究借鉴了国外的技术和成果，研究工作多以实际的地源热泵工程为基础。由于地源热泵项目投资成本高，钻井深度大，岩土体不均一以及地下水渗流，导致对地理管换热器在土壌中复杂的传热、传质耦合过程的研究欠深入，已有研究成果也难以有效应用于实际工程。因此，开发ー种地源热泵模拟换热装置对于科研工作和实际工程应用具有重要的指导意义。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术无法准确合理地将地源热泵系统模拟化的不足而提供ー种地源热泵模拟装置，以模拟实际工程中的地理管换热原理为基础，为地源热泵技术的研究提供了一种可行技术方案。本发明的具体技术方案如下
ー种地源热泵模拟装置，它包括
一地层模拟系统，包括地秤、不锈钢套筒、土壌、钻孔、盖板和恒温水浴锅，所述不锈钢套筒设于地秤之上，土壌及钻孔设于不锈钢套筒内，盖板封盖于不锈钢套筒上，恒温水浴锅及不锈钢套筒通过管路构成水循环回路；
ー换热器模拟系统，包括回填材料、U形管、低温恒温槽、自吸清水泵、流量计、三通及阀门，所述U形管设于回填材料内，三通、阀门、低温恒温槽、自吸清水泵、流量计、三通、阀门通过管路依次连接后，连接于U形管的两端ロ，构成水循环回路；
一数据采集系统，包括温湿度记录仪、PTlOO型热电阻及温湿度变送器，所述PT100型热电阻及温湿度变送器连接温湿度记录仪；其中
所述换热器模拟系统的回填材料设于地层模拟系统的钻孔内，数据采集系统的PTlOO 型热电阻设于地层模拟系统的土壌中。所述盖板为ー个透明塑料盖板，其上开有数组同心圆的孔，PT100型热电阻插入其孔中。所述循环水、U形管、回填材料三者之间可直接进行热交換；U形管为DN25的PElOO地源热泵专用管；各管道外壁和不锈钢套筒外壁均包覆有聚氨酯保温材料；回填材料为水泥基灌浆料，其成分为水泥、天然河砂、膨润土、减水剂、水以及硅灰、钢渣矿物掺合料。所述低温恒温槽内胆容积为10 30L，温度范围-5 100°C，采用微机控温、自动控制(PID)调节，高、低温两档切換；流量计记录流经循环管道的体积流量，測量范围为O 20L/mino所述温湿度记录仪有20 40个通道，自动记录和保存数组由PT100型热电阻和温湿度变送器传输的数据。所述PT100型热电阻为四氟材料，量程为O 50°C，分度值为O. ore ;用于测量土壌温度的PTioo型热电阻经盖板定位后插入土壌的不同深度，再连接到温湿度记录仪；用于测量循环水进出ロ水温的PTlOO型热电阻分别接在两个三通上，再连接到温湿度记录 仪。所述温湿度变送器用于测量大气的温、湿度，连接到温湿度记录仪。本发明可用于研究在地理管换热器作用下不同深度、不同径向土壤层的温度分布，进而考察土壌中的热交换规律，实现对传热模型的计算与验证；可用于考察不同回填材料对总换热效果的影响，实现对回填材料的筛选和评价；还可用于研究冷、热エ况下不同循环水流量对换热量的影响等。本发明利用循环水与土壌的温度差，借助PE管和回填材料来实现换热，能保证一定时间内的连续稳定运行。通过对气温突变、地下水流动、地质结构复杂等不稳定因素进行简化，为地源热泵的研究创造了有利条件。


图I为本发明结构示意 图2为本发明土壤测温点分布 图3为本发明制冷エ况下不同深度土壤层的温度变化曲线 图4为本发明制冷エ况下不同径向土壤层的温度变化曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步说明
參阅图1，本发明包括三个系统一地层模拟系统、换热器模拟系统和数据采集系统。其中，地层模拟系统包括地秤I、不锈钢套筒2、土壌3、钻孔4、盖板5和恒温水浴锅6，不锈钢套筒2设于地秤I之上，土壌3、钻孔4设于不锈钢套筒2内，盖板5封盖于不锈钢套筒2上，恒温水浴锅6、不锈钢套筒2通过管路构成水循环回路。换热器模拟系统，包括回填材料7、U形管8、低温恒温槽11、自吸清水泵12、流量计13、三通9及阀门10，所述U形管8设于回填材料7内，三通9、阀门10、低温恒温槽11、自吸清水泵12、流量计13、三通9、阀门10通过管路依次连接后，连接于U形管8的两端ロ，构成水循环回路。数据采集系统，包括温湿度记录仪14、PT100型热电阻15及温湿度变送器16，所述PT100型热电阻15及温湿度变送器16连接温湿度记录仪14。所述的U形管8为单U形管或双U形管，为双U形管时，钻孔4尺寸应相应増大。
所述PTlOO型热电阻15为四氟材料，量程为O 50°C，分度值为0.01 °C ;用于测量土壌温度的PTioo型热电阻15经盖板定位后插入土壌的不同深度，再连接到温湿度记录仪14 ;用于测量循环水进出ロ水温的PT100型热电阻15分别接在两个三通9上，再连接到温湿度记录仪14。本发明换热器模拟系统的原理如下(以加热エ况为例):循环水经低温恒温槽11加热至目标温度，由自吸清水泵12输送至管路中，途径流量计13、阀门10等附件，流入U形管8中，循环热水经U形管壁与回填材料7进行换热，会引起回填材料7的温升，这又会引起土壌3的温度变化。真实地反映实际工程中复杂的传热传质耦合过程。所述的地秤I用于测量土壌3的重量，通过一定填充体积内所填土壌的重量，计算其密实度，与天然地层的密实度进行对比，选取修正系数。所述的不锈钢套筒2的直径为I. 5 3m、高I. 5 3m，筒壁设有保温夹套，通过管 路与恒温水浴锅6连接；筒内填满土壤3，可为粘土、砂土、岩土或黄土，将士壤填实后，于中心处开ー个直径为O. I O. 2 m的钻孔4，用于模拟实际工程中的钻孔壁。參阅附图2，本发明通过在土壌中布置不同深度和不同径向的测温点，可得到温度场分布，为换热模型的计算和验证提供实验数据。所述的测温点分布为在不锈钢套筒的径向上，以钻孔4中心为圆心，分布了包括钻孔壁和套筒内壁在内的6个同心圆，用于布置PT100型热电阻15的测温点；在深度方向，分布有顶层-O. 2m、中层-O. 8m和底层-I. 4m三个测温层。实施例I
參阅图3，利用本发明，在制冷エ况下(循环水温度设为0°C，流量为3. 3 L/min)，研究不同深度土壤层温度随运行时间的变化规律。从图中可以看出，表层土壤(-0. 2m)受换热管和外界影响最为显著，在最初20h内土壌温度急剧下降，之后变化较小，并表现出随着大气温度波动而波动的现象。图中表明，表层土壤的温度变化滞后于气温变化2 3h。随着土壌深度的増加，土壌温度下降幅度减小。达到换热平衡后，-O. Sm温度层呈现为稳定状态。而对于最底层的-1. 4m 土壌，其平均温度几乎不受换热管影响。可见，土壌深度越大，传热作用越弱，表层土壤受气温和热传递影响最大。土壌温度的变化相对于大气温度有不同程度的延迟和衰减，土壌越深延迟越大，这对垂直埋管地源热泵的供冷供热是十分有利的。因为冬季需供热时，气温最低，而土壤温度非最低水平；夏季需制冷时，气温最高，而土壤温度非最高水平。实施例2
參阅图4，利用本发明，在制冷エ况下(循环水温度设为0°C，流量为3. 3L/min)，研究不同径向土壌温度随运行时间的变化规律。离换热管最近的径向O. 195m 土壤层，在初始的20h内温度急剧下降，后来表现出随着大气温度的波动而波动和延迟的现象。中间两个径向层的温度(O. 335m、0. 470m)随运行时间的延长缓慢下降，后期趋于稳定。径向O. 610m 土壤层离换热管最远，加上聚氨酯保温材料的作用，只表现出自身的蓄热作用和环境依赖效应。可见，不同径向的土壤层随大气温度的变化有不同程度的延迟和衰减；离换热管越近的土壤层换热效果越显著，越远的土壤层换热效果越弱。根据温度分布，也可得到本装置的热作用半径为O. 55 O. 61m。实施例3
利用本发明，在加热エ况(循环水40°C，流量3. 7L/min)下，运行168h，根据换热结果计算钻孔内的换热模型，简要计算过程和结果如下
I)钻孔内一维导热模型
阻项I计算值(K m/w) I所占 流体至PE管的热阻0.0137. 39%
PE 管热阻0.05431. 75%
灌浆料热阻せ· 104160.86%
各部分热阻计算结果如上表所示。钻孔内总热阻为三者之和，为O. 170 ICm/W，其中灌浆料热阻占钻孔内热阻的主要部分，这也证明了研究灌浆材料的重要意义。按已有测温点的温度估算钻孔壁温度Tb为27. 22°C，再按等效热阻模型计算得热流密度q=75. 00W/m。2) 钻孔内ニ维导热模型
按此模型计算结果如下流体至PE管外壁的热阻为O. 092 K-m/ff, PE管外壁至钻孔壁的热阻为O. 070 K.m/W。钻孔内总热阻为两者之和，为O. 162 K.m/W。同样以钻孔壁温度Tb=27. 22°C，计算得热流密度 q=78. 94 W/m。可见，在较长时间连续运行下，按ー维和ニ维导热模型计算的钻孔内总热阻和热流密度都能较好吻合，表明本装置用于地源热泵理论研究具有良好的可靠性。
权利要求
1.一种地源热泵模拟装置，其特征在于该装置包括 一地层模拟系统，包括地秤(I)、不锈钢套筒(2)、土壤(3)、钻孔(4)、盖板(5)和恒温水浴锅(6)，不锈钢套筒(2)设于地秤(I)之上，土壤(3)及钻孔(4)设于不锈钢套筒(2)内，盖板(5 )封盖于不锈钢套筒(2 )上，恒温水浴锅(6 )及不锈钢套筒(2 )通过管路构成水循环回路； 一换热器模拟系统，包括回填材料(7)、U形管(8)、低温恒温槽(11)、自吸清水泵(12)、流量计(13)、三通(9)及阀门(10)，U形管(8)设于回填材料(7)内，三通(9)、阀门(10)、低温恒温槽(11)、自吸清水泵(12 )、流量计(13 )、三通(9 )、阀门(10 )通过管路依次连接后，连接于U形管(8)的两端口，构成水循环回路； 一数据采集系统，包括温湿度记录仪(14)、PT100型热电阻(15)及温湿度变送器(16)，PT100型热电阻(15)及温湿度变送器(16)连接温湿度记录仪(14);其中 所述换热器模拟系统的回填材料(7)设于地层模拟系统的钻孔(4)内，数据采集系统的PT100型热电阻(15)设于地层模拟系统的土壤(3)中。
2.根据权利要求I所述的地源热泵模拟装置，其特征在于盖板(5)为一个透明塑料盖板，其上开有数组同心圆的孔，PT100型热电阻(15)插入其孔中。
3.根据权利要求I所述的换热器模拟系统，其特征在于U形管(8)为DN25的PE100地源热泵专用管；各管道外壁和不锈钢套筒(2)外壁均包覆有聚氨酯保温材料；回填材料(7)为水泥基灌浆料，其成分为水泥、天然河砂、膨润土、减水剂、水以及硅灰、钢渣矿物掺合料。
4.根据权利要求I所述的地源热泵模拟装置，其特征在于低温恒温槽(11)内胆容积为10 30L，温度范围-5 100°C，采用微机控温、自动控制调节，高、低温两档切换；流量计(13)记录流经循环管道的体积流量,测量范围为0 20L/min。
5.根据权利要求I所述的地源热泵模拟装置，其特征在于温湿度记录仪(14)有20 40个通道，自动记录和保存数组由PT100型热电阻(15)和温湿度变送器(16)传输的数据。
6.根据权利要求I所述的地源热泵模拟装置，其特征在于PT100型热电阻(15)为四氟材料，量程为0 50°C，分度值为0. 01°C ;用于测量土壤温度的PT100型热电阻(15)经盖板(5)定位后插入土壤(7)的不同深度，再连接到温湿度记录仪(14);用于测量循环水进出口水温的PT100型热电阻(15)分别接在两个三通(9)上，再连接到温湿度记录仪(14)。
7.根据权利要求I所述的地源热泵模拟装置，其特征在于温湿度变送器(16)用于测量大气的温、湿度，连接到温湿度记录仪(14)。
全文摘要
本发明公开了一种地源热泵模拟装置，它包括地层模拟系统、换热器模拟系统和数据采集系统；地层模拟系统由地秤、不锈钢套筒、土壤、钻孔、盖板和恒温水浴锅组成；换热器模拟由回填材料、U形管、低温恒温槽、自吸清水泵、流量计、三通及阀门组成；数据采集系统由温湿度记录仪、PT100型热电阻及温湿度变送器组成；所述换热器模拟系统的回填材料设于地层模拟系统的钻孔内，数据采集系统的PT100型热电阻设于地层模拟系统的土壤中。本发明可用于研究在地埋管换热器作用下不同深度、不同径向土壤层的温度分布，进而考察土壤中的热交换规律，实现对传热模型的计算与验证；可用于考察不同回填材料对总换热效果的影响，实现对回填材料的筛选和评价；还可用于研究冷、热工况下不同循环水流量对换热量的影响等。
文档编号G01N25/20GK102680515SQ201210169949
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者傅乐峰, 冯中军, 沈军, 王伟山, 邹玲, 郑柏存, 陈鑫 申请人:上海三瑞化学有限公司