專利名稱：地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程地源熱泵技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
地源熱泵技術(shù)是人們利用淺層地?zé)崮艿囊环N方式。淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的一部分，資源豐富、分布廣泛、溫度穩(wěn)定，開發(fā)技術(shù)臻于成熟，目前已廣泛應(yīng)用于供暖和制冷，是一種很好的替代能源和清潔能源，具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能、運(yùn)行成本低、可持續(xù)利用、技術(shù)成熟、不消耗地下水等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。長期以來，地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作由暖通空調(diào)專業(yè)人士完成。他們從自身專業(yè)的角度出發(fā)，更為關(guān)心如何使地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，側(cè)重于換熱系統(tǒng)本身。由于專業(yè)知識的局限，在設(shè)計(jì)中為確定埋管長度，單純計(jì)算冬季日最大熱負(fù)荷和夏季日最大冷負(fù)荷。實(shí)際工程中，冷熱負(fù)荷多數(shù)情況下是不相等的，地埋管式地源熱泵系統(tǒng)向地層排放的總熱量與吸收的總熱量并不相等，造成所謂的“熱失衡”問題。上海每年需要在夏季制冷的時間比需要在冬季制熱的時間幾乎長一倍，冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷。若持續(xù)每年累計(jì)向地層排放的熱量大于向地層吸取的熱量，即使該地區(qū)地下恒溫帶每年只升高，10年后該地源熱泵系統(tǒng)便無法有效正常工作。恒溫地層的溫度一旦發(fā)生改變，勢必引起地層及所影響范圍內(nèi)土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變，使原本穩(wěn)定的地基土發(fā)生因溫度變化產(chǎn)生的熱擾動，嚴(yán)重的影響上部結(jié)構(gòu)和地下建筑的工程穩(wěn)定性和安全性。所以地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于相關(guān)地層熱物性參數(shù)的選取尤為謹(jǐn)慎，長期以來地源熱泵熱換熱器的設(shè)計(jì)主要以進(jìn)行地層的熱物性原位測試和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法來獲取為主。上?；诘芈窆苁降卦礋岜玫墓こ虒?shí)例尚不多，尚處在經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的積累階段，設(shè)計(jì)需要的地層熱物性參數(shù)相對缺乏，因此每個地源熱泵工程前都要求進(jìn)行原位巖土熱響應(yīng)測試，需要在埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場鉆孔打井，測試時，地下埋管換熱器和測試系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)管道相連形成封閉環(huán)路，利用加熱器或熱泵向管路中的流體輸入熱量或冷量，當(dāng)流體流經(jīng)地下?lián)Q熱器時與地下巖土進(jìn)行熱交換，同時測得流體入口、出口溫度和流體流量等數(shù)據(jù)，從機(jī)器的入場到出場，需要耗費(fèi)巨大的人力，物力以及時間，而且由于現(xiàn)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(dǎo)率，對地源熱泵長期運(yùn)行后地下土層熱被環(huán)境效應(yīng)(尤其是上海第四層淤泥質(zhì)軟粘土層)的估量是不夠的。上海地區(qū)軟土地層分布廣、厚度大，淺層淤泥質(zhì)粘土層尤其如此。淤泥質(zhì)粘土不同于顆粒土的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱學(xué)物理特性，決定了土層溫度場變化的特殊性。地層出現(xiàn)熱失衡后的溫度場變化也呈現(xiàn)與其他類型地層相異的性質(zhì)。淤泥質(zhì)粘土層距離地層表面較近，由淤泥質(zhì)粘土層熱失衡引發(fā)的“熱被效應(yīng)”對整個地區(qū)的生態(tài)將有較大的影響。目前，在地源熱泵工程技術(shù)研究領(lǐng)域，尚無相關(guān)模型試驗(yàn)裝置和方法來測試地層熱物性參數(shù)。與本發(fā)明相似的產(chǎn)品主要是各種現(xiàn)場原位熱響應(yīng)測試的裝置及方法，而且主要涉及上海軟土地區(qū)的幾乎沒有，如山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所李曉東等人的發(fā)明專利“基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀及其方法”(專利號:CN1815211A)、重慶大學(xué)丁勇等人的專利“地源熱泵地下?lián)Q熱器的換熱量測試儀”(專利號:CN101299000A)、東南大學(xué)陳振乾等人的專利“地源熱泵低品位熱源熱響應(yīng)遠(yuǎn)程測試儀”(申請專利號:CN102012699A)以及南京大學(xué)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(fā)明專利大多是涉及現(xiàn)場地源熱泵施工技術(shù)方面的，對于地源熱泵的環(huán)境效應(yīng)考慮甚少，能獲得熱交換土體的分層熱導(dǎo)率的發(fā)明專利更少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及其應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括模型箱、試驗(yàn)用土模型、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、熱循環(huán)模塊和上位PC機(jī)，所述的試驗(yàn)用土模型設(shè)在模型箱內(nèi)，所述的測量模塊設(shè)在試驗(yàn)用土模型中，所述的熱循環(huán)模塊與試驗(yàn)用土模型連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與測量模塊連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與上位PC機(jī)連接。所述的模型箱的左、右、后立面和底面采用整塊4_厚的建筑鋼板焊成并刷防銹漆；前立面采用整塊Icm厚的密封不漏水的鋼化玻璃；模型箱內(nèi)壁與試驗(yàn)用土模型接觸的部位設(shè)有的隔熱層。所述的試驗(yàn)用土模型為研究區(qū)域的原狀土體，根據(jù)相應(yīng)的模型比設(shè)計(jì)厚度分層鋪設(shè)各土層。所述的測量模塊包括溫度傳感器、土壓計(jì)和孔壓計(jì)，所述的溫度傳感器測量熱循環(huán)模塊中的U形管回路循環(huán)液體以及試驗(yàn)用土模型中的土體不同位置處的溫度分布，土壓計(jì)、孔壓計(jì)分別精確測量熱流循環(huán)過程中試驗(yàn)用土模型的土壓カ和孔隙水壓カ變化。所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度采集子系統(tǒng)和壓カ采集子系統(tǒng)，所述的溫度采集子系統(tǒng)與溫度傳感器連接，所述的壓力采集子系統(tǒng)分別與土壓計(jì)、孔壓計(jì)連接。所述的熱循環(huán)模塊包括U形管、低溫恒溫槽、電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵，所述的U形管包括地上部分和地下部分，地下部分設(shè)在試驗(yàn)用土模型內(nèi)，所述的地上部分采用PPR管，所述的地下部分采用PE管。所述的低溫恒溫槽、電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵提供恒定高溫或低溫的循環(huán)流體；低溫恒溫槽提供冷源循環(huán)液體模擬冬季工況；電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵提供熱源循環(huán)液體模擬夏季エ況。所述的集水箱采用隔熱陶瓷水箱加工制作而成，使用時懸掛于墻上，頂蓋上設(shè)計(jì)了曝氣溢出孔，箱壁上設(shè)計(jì)了源水進(jìn)水口、熱水出水ロ、循環(huán)回水口和高水位溢出口 4個液路出口，所述的源水進(jìn)水ロ、熱水出水ロ、循環(huán)回水口均設(shè)有控制通斷的球閥；源水進(jìn)水ロ連接自來水水源，實(shí)驗(yàn)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(huán)管路暢通并充滿熱流體，實(shí)驗(yàn)開始后將源水進(jìn)水口水閥微開，使熱流循環(huán)過程中所消耗的熱流體獲得補(bǔ)充。ー種源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置的應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟:I)確定所需研究的影響因素，根據(jù)柱源理論，考慮了循環(huán)熱流溫度、測點(diǎn)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(guān)性和相關(guān)程度，模擬地埋管式換熱器在淺部地層的換熱情況，采用量綱分析法來確定各相似常數(shù)；首先選取涉及蓄熱引起的溫升和接觸傳熱的傅里葉數(shù)作為相似準(zhǔn)則
權(quán)利要求
1.種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括模型箱、試驗(yàn)用土模型、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、熱循環(huán)模塊和上位PC機(jī)，所述的試驗(yàn)用土模型設(shè)在模型箱內(nèi)，所述的測量模塊設(shè)在試驗(yàn)用土模型中，所述的熱循環(huán)模塊與試驗(yàn)用土模型連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與測量模塊連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與上位PC機(jī)連接。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的模型箱的左、右、后立面和底面采用整塊4_厚的建筑鋼板焊成并刷防銹漆；前立面采用整塊Icm厚的密封不漏水的鋼化玻璃；模型箱內(nèi)壁與試驗(yàn)用土模型接觸的部位設(shè)有的隔熱層。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的試驗(yàn)用土模型為研究區(qū)域的原狀土體，根據(jù)相應(yīng)的模型比設(shè)計(jì)厚度分層鋪設(shè)各土層。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的測量模塊包括溫度傳 感器、土壓計(jì)和孔壓計(jì)，所述的溫度傳感器測量熱循環(huán)模塊中的U形管回路循環(huán)液體以及試驗(yàn)用土模型中的土體不同位置處的溫度分布，土壓計(jì)、孔壓計(jì)分別精確測量熱流循環(huán)過程中試驗(yàn)用土模型的土壓力和孔隙水壓力變化。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度采集子系統(tǒng)和壓力采集子系統(tǒng)，所述的溫度采集子系統(tǒng)與溫度傳感器連接，所述的壓 力采集子系統(tǒng)分別與土壓計(jì)、孔壓計(jì)連接。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的熱循環(huán)模塊包括U形管、低溫恒溫槽、電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵，所述的U形管包括地上部分和地下部分，地下部分設(shè)在試驗(yàn)用土模型內(nèi)，所述的地上部分采用PPR管，所述的地下部分采用PE管。
7.據(jù)權(quán)利要求6所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的低溫恒溫槽、電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵提供恒定高溫或低溫的循環(huán)流體；低溫恒溫槽提供冷源循環(huán)液體模擬冬季工況；電加熱器、集水箱和循環(huán)水泵提供熱源循環(huán)液體模擬夏季工況。
8.據(jù)權(quán)利要求6所述的一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的集水箱采用隔熱陶瓷水箱加工制作而成，使用時懸掛于墻上，頂蓋上設(shè)計(jì)了曝氣溢出孔，箱壁上設(shè)計(jì)了源水進(jìn)水口、熱水出水口、循環(huán)回水口和高水位溢出口 4個液路出口，所述的源水進(jìn)水口、熱水出水口、循環(huán)回水口均設(shè)有控制通斷的球閥； 源水進(jìn)水口連接自來水水源，實(shí)驗(yàn)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(huán)管路暢通并充滿熱流體，實(shí)驗(yàn)開始后將源水進(jìn)水口水閥微開，使熱流循環(huán)過程中所消耗的熱流體獲得補(bǔ)充。
9.種如權(quán)利要求1所述的地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置的應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟: 1)確定所需研究的影響因素，根據(jù)柱源理論，考慮了循環(huán)熱流溫度、測點(diǎn)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(guān)性和相關(guān)程度，模擬地埋管式換熱器在淺部地層的換熱情況，采用量綱分析法來確定各相似常數(shù)； 2)確定模型材料，即待測試對象到模型土體的轉(zhuǎn)化與制備；3)模型試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，包括制作模型箱，準(zhǔn)備熱循環(huán)模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，上位PC機(jī)調(diào)試； 4)進(jìn)行模型試驗(yàn)。
10.據(jù)權(quán)利要求9所述的地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置的應(yīng)用，其特征在于，所述的步驟4)具體為: (1)模型箱設(shè)計(jì)，建筑鋼板焊成并刷防銹漆，前立面為方便土層觀測，采用鋼化玻璃，夕卜加聚苯こ烯發(fā)泡塑料保溫材料； (2)填土前模型箱內(nèi)鋪好隔熱材料，在需要埋置溫度傳感器的位置，預(yù)先使用PPR管進(jìn)行占位，待置入溫度傳感器后將PPR管抽離，將需要埋設(shè)的U形管放置在設(shè)定位置，根據(jù)模型設(shè)計(jì)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(yàn)土每5cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養(yǎng)護(hù)；砂土與粘土的交界面鋪ー層皺紋紙，以防止淤泥質(zhì)粘土與粉砂相互混合；表層的褐黃色粉質(zhì)粘土在鋪設(shè)前應(yīng)用篩孔小于2_的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤； (4)土壓計(jì)按預(yù)設(shè)位置埋放，在粘土中埋放土壓計(jì)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(jì)，再用砂子蓋住，并輕輕壓實(shí)，使土壓計(jì)表面與土接觸緊密，同時可在滲壓計(jì)表面形成過濾層，便于量測； (5)模型土體制備好后，將其置于實(shí)驗(yàn)室設(shè)定的恒溫、恒濕環(huán)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(fā)； (6)鋪土完成后用集水箱為砂層加水壓；自重固結(jié)，固結(jié)時間根據(jù)土層性質(zhì)而定； (7)熱循環(huán)模塊連接調(diào)試運(yùn)行，設(shè)定恒溫槽循環(huán)熱流溫度，開啟熱流循環(huán)及測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及其應(yīng)用，包括模型箱、試驗(yàn)用土模型、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、熱循環(huán)模塊和上位PC機(jī)，所述的試驗(yàn)用土模型設(shè)在模型箱內(nèi)，所述的測量模塊設(shè)在試驗(yàn)用土模型中，所述的熱循環(huán)模塊與試驗(yàn)用土模型連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與測量模塊連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊與上位PC機(jī)連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有不僅可以計(jì)算地源熱泵地埋管設(shè)計(jì)所需換熱土體熱物性參數(shù)，也可研究由于地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行引發(fā)的周圍土體的環(huán)境效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者唐益群, 任興偉, 周潔, 李珺, 王建秀, 楊坪 申請人:同濟(jì)大學(xué)