[发明专利]一种地源热泵模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直地埋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、回填材料以及土壤三者之间热交换过程的模拟。

背景技术

地源热泵系统是一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，包括地埋管地源热泵、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埋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埋管换热器、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。地埋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，导致对地埋管换热器在土壤中复杂的传热、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，开发一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一种地源热泵模拟装置，以模拟实际工程中的地埋管换热原理为基础，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：

一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、土壤、钻孔、盖板和恒温水浴锅，所述不锈钢套筒设于地秤之上，土壤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；

一换热器模拟系统，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形管的两端口，构成水循环回路；

一数据采集系统，包括温湿度记录仪、PT100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PT100型热电阻设于地层模拟系统的土壤中。

所述盖板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换；U形管为DN25的PE100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℃，采用微机控温、自动控制（PID）调节，高、低温两档切换；流量计记录流经循环管道的体积流量，测量范围为0～20L/min。

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0～50℃，分度值为0.01℃；用于测量土壤温度的PT100型热电阻经盖板定位后插入土壤的不同深度，再连接到温湿度记录仪；用于测量循环水进出口水温的PT100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。本发明利用循环水与土壤的温度差，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。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明土壤测温点分布图；

图3为本发明制冷工况下不同深度土壤层的温度变化曲线图；

图4为本发明制冷工况下不同径向土壤层的温度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：