[发明专利]一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统

说明书

本发明属于地埋管地源热泵系统相关技术领域，并公开了一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统。该实验系统包括砂箱、地质分层营造组件、地热梯度营造组件、地下水渗流营造组件和地埋管单元；地质分层营造组件用于模拟不同深度的土壤环境；地热梯度营造组件用于模拟不同深度地质层不同的温度；地下水渗流营造组件向砂箱中渗透水分模拟地质层存在渗水情况；地埋管单元的地埋管为同轴套管地埋管，测量该同轴套管地埋管入口和出口处的温度差，获知在地埋管在砂箱中的换热情况。通过本发明，模拟地热梯度、地下水渗流和地质分层三种因素的复合作用，营造出单一地质条件或多种地质条件，提供简单便捷的实验系统。

技术领域

本发明属于地埋管地源热泵系统相关技术领域，更具体地，涉及一种 模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统。

背景技术

对于地埋管地源热泵系统来说，最重要的是地埋管换热器。现在己经 成熟的浅层地埋管换热器技术通常钻孔深度为100米左右，而在实际应用 中经常受到埋管用地不够的制约，中深层地埋管换热器是由此衍生出来的 地埋管换热器的新变种，钻孔深度可达2000米以上。在探索中深层埋管换 热器的工程实践中，由于管路强度和施工工艺的考虑，套管式成为主流的 埋管形式，而不是采用浅层地埋管常用的U型管。在考虑深孔埋管换热器 的传热分析时就需要对原来的浅层地埋管的传热模型和设计计算方法做相 应的改进。一是深孔底部的温度可以高达50-80℃，因此需要考虑地温梯度 对地埋管传热的影响；二是不同深度地质层成分、密度、含水量、比热容 不同，因此要考虑地质分层对地埋管传热的影响；三是中深层地源热泵由 于钻井深度较深，几乎不可避免会遇到地下水渗流情况，因此要考虑渗流 对地埋管传热的影响。

中深层地埋管换热器是地埋管地源热泵系统的一种技术创新，具有占 地少和可利用地温高的独特优点，特别适合在寒冷地区应用；现有技术当 中少有中深层地源热泵领域模拟真实地质状况对地埋管换热影响的实验装 置考虑了地热梯度、地下水渗流、地质分层三种情况复合作用，一般为一 种或两种情况作用，同时不便于进行对变量的精准控制，因此亟待研发一 种新型中深层地埋管砂箱实验系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模拟真实地 质情况的中深层地埋管砂箱实验系统，通过设置地热梯度营造组件、地下 水渗流营造组件和地质分层营造组件，分别模拟地热梯度、地下水渗流和 地质分层三种因素的复合作用，精准的实现对地表地质环境的模拟，更加 贴合实际，提供一种简单便捷的对中深层地埋管地质环境模拟的系统。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种模拟真实地质情况的中深 层地埋管砂箱实验系统，其特征在于，该实验系统包括砂箱、地质分层营 造组件、地热梯度营造组件、地下水渗流营造组件和地埋管单元，其中：

所述砂箱中设置有填充材料，所述地质分层营造组件包括多个隔板， 用于将所述砂箱中的砂土分隔形成多个区域，每个区域内设置不同的填充 材料，以此模拟不同深度的地质层不同的土壤环境；

所述地热梯度营造组件设置在所述砂箱的一侧，用于从侧面将热量传 导给所述砂箱，然后经过所述砂箱中逐个区域的热传导，使得所述砂箱中 各个区域内温度不同，以此模拟不同深度地质层不同的温度；

所述地下水渗流营造组件包括设置在所述砂箱上方的顶部水箱和下方 的底部水箱，所述顶部水箱的底部以及所述底部水箱的顶部均设置有均匀 分布的孔洞，所述顶部水箱通过所述孔洞向所述砂箱中的填充材料中渗透 水分，以此模拟地质层存在渗水的情况，所述底部水箱通过其顶部的孔洞 收集从所述填充材料渗出的水；

所述地埋管单元包括地埋管和与该地埋管连接的第一水循环单元，所 述地埋管埋在所述砂箱的砂土中央，该地埋管为同轴套管地埋管，所述第 一水循环单元的一端将水输送进入所述同轴套管地埋管内管，水在该同轴 套管地埋管与地埋管外部的填充材料进行热交换后从同轴套管地埋管的外 管流出；测量该同轴套管地埋管的入口和出口处水的温度获得温度差，以 此获知在地埋管在砂箱中的换热情况。