本實用新型涉及一種驗證能量樁在地下水滲流條件下傳熱計算模型的實驗系統(tǒng)。

背景技術：

地源熱泵系統(tǒng)充分利用地下介質(zhì)的能量對建筑物進行制冷和供暖，具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，是一種可再生能源空調(diào)系統(tǒng)。地熱換熱器是地源熱泵區(qū)別于其他類型熱泵的主要標志，目前常采用鉆孔并埋設U型換熱管的方式。鉆孔的費用較高，而且需要一定量地面面積對鉆孔進行布置，這些成為制約地源熱泵發(fā)展的主要缺點。近些年，研究人員開始考慮將螺旋換熱管埋設于建筑物的樁基來制作一種新穎的地熱換熱器，稱之為“能量樁地熱換熱器”。樁基的直徑要遠大于鉆孔的直徑，且內(nèi)部通常布置螺旋管而非U型管，故每米樁埋管的換熱能力要明顯強于鉆孔埋管。建筑物的樁基數(shù)量有限，整個系統(tǒng)的地熱換熱器可由能量樁和鉆孔埋管共同組成。

由于能量樁的深度在十米以上甚至達到幾十米，地下水的滲流普遍存在，尤其對于地下水資源豐富的地區(qū)，滲流作用更是強烈。地下水的流動，對能量樁的換熱產(chǎn)生了對流影響，故原先能量樁與地下介質(zhì)之間的換熱模式由純導熱轉(zhuǎn)變?yōu)楹袑岷蛯α鞯膹秃蠐Q熱。為研究能量樁在地下水滲流條件下的傳熱，相關的傳熱模型被不斷提出和更新。但對于模型是否準確，目前尚未有實驗系統(tǒng)對其進行驗證。

因此，對于實際的能量樁在地下水滲流條件下傳熱模型計算的效果如何以及模型的合理與否，需要一種實驗系統(tǒng)，能夠方便驗證能量樁在地下水滲流條件下傳熱計算模型的效果。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型為了解決上述問題，提出了一種驗證能量樁在地下水滲流條件下傳熱計算模型的實驗系統(tǒng)，本實用新型驗證能量樁地熱換熱器在地下水滲流條件下引起的溫度響應的計算模型。即不論提出何種模型，按本方式即可鑒定計算方法的合理性。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種驗證能量樁在地下水滲流條件下傳熱計算模型的實驗系統(tǒng)，包括埋置于地下的樁基埋管，所述樁基埋管內(nèi)設置有螺旋換熱器，所述螺旋換熱器的螺旋管的兩端分別連接恒溫熱水箱的進水口與出水口，所述樁基埋管周圍土壤布設有若干熱電偶，所述螺旋管與恒溫熱水箱的連接管路上設置有溫度計和流量計。

所述恒溫熱水箱內(nèi)設置有電加熱器，為螺旋換熱器提供循環(huán)熱水。

所述連接管路上設置有水泵，控制水流大小。

所述熱電偶為多個，且沿樁基埋管的x、y和z軸方向均勻布置。

所述熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀連接。

所述數(shù)據(jù)采集儀將所測數(shù)據(jù)上傳至處理器，通過對比采集的熱電偶的溫度響應值與能量樁在地下水滲流條件下傳熱模型得到的溫度響應值，驗證和鑒別所提傳熱模型的合理性。

所述螺旋換熱管的管徑、間距和螺旋長度根據(jù)樁基埋管的尺寸調(diào)整。

所述鉆孔，里面埋設U型管，作為鉆孔埋管換熱器，利用其在地下水滲流條件下比較成熟和公認的線熱源模型，可采用反向推理法獲得地下水的流速。

所述U型管，埋設于鉆孔內(nèi)。與鉆孔一起構成鉆孔埋管地熱換熱器。

本實用新型的有益效果為：

(1)采用恒溫熱水箱代替熱泵機組，模擬了地下水滲流條件下地源熱泵系統(tǒng)能量樁地熱換熱器在換熱時周圍介質(zhì)的溫度響應，不論提出何種模型，按本方式即可鑒定計算方法的合理性。

(2)結構簡單，組裝方便。

附圖說明

圖1為本實用新型的驗證傳熱模型的實驗系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實用新型的在能量樁周圍布置熱電偶的示意圖；

圖3為本實用新型的為獲得地下水滲流速度所進行實驗的系統(tǒng)示意圖；

圖4為本實用新型的在鉆孔埋管周圍布置熱電偶的示意圖；

其中：1螺旋管起點h₁，2地下水滲流，3樁基埋管，4螺旋換熱管，5地下介質(zhì)，6螺旋管終點h₂,7熱電偶，8恒溫熱水箱，9電加熱器，10流量計，11溫度計，12水泵，13U型管，14鉆孔，15孔內(nèi)回填材料。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示，實驗中采用恒溫熱水箱8代替熱泵機組，模擬了地下水滲流2條件下地源熱泵系統(tǒng)能量樁地熱換熱器在換熱時周圍介質(zhì)的溫度響應。循環(huán)水被加熱后進入樁基中的螺旋換熱管4進行散熱，將熱電偶布置于樁基螺旋埋管3的周圍，熱電偶7得出的溫度響應數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)采集儀進行記錄，通過測試到的溫度響應值與所提傳熱模型得到的溫度響應值進行比較，可驗證和鑒別任何所提傳熱模型的合理性。熱電偶7沿x,y和z軸方向均勻布置。

螺旋管與恒溫熱水箱的連接管路上設置有溫度計11和流量計10。

可以選取任意幾何尺寸的樁基3，同時螺旋換熱管4的管徑、間距、螺旋長度等幾何參數(shù)也可以不斷變化和調(diào)整，更能體現(xiàn)出本實驗系統(tǒng)的驗證效果。樁基3周圍的介質(zhì)可以是任何類型的地下介質(zhì)。

如圖3示，為保證本實驗驗證系統(tǒng)的實現(xiàn)，需要將反向推理計算地下水流速法引入，利用鉆孔埋管地熱換熱器，推理出地下水流速的大小和方向。在此，通過實驗系統(tǒng)先獲得鉆孔周圍地下介質(zhì)中的溫度響應，利用鉆孔在地下水滲流條件下已經(jīng)成熟和公認的線熱源滲流模型，反向推理計算出地下水流速這一矢量。仍然以恒溫熱水箱加熱循環(huán)水，循環(huán)水流經(jīng)鉆孔里的U型埋管13將熱量散發(fā)。

如圖4所示，將熱電偶7圍繞鉆孔埋管在XOY面上均勻布置5個，沿鉆孔埋管的深度方向每隔幾米就在對應的橫截面上均勻布置5個熱電偶7。利用已經(jīng)比較成熟的鉆孔埋管在地下水滲流2條件下所引起的溫度響應的線熱源滲流模型，結合熱電偶7測得的數(shù)據(jù)，反向推理計算獲得地下水流速的大小和方向，將大小和方向代入樁基埋管在地下水滲流條件下引起的溫度響應的傳熱模型中，計算出溫度響應的值，與熱電偶7測得的值進行比較，以此驗證傳熱模型的合理性。

反向推理計算法，即地下水的滲流大小雖未知，但根據(jù)當?shù)氐乃Y料，可知其在一定范圍內(nèi)，首先設定地下水流速大小和方向的范圍，利用線熱源滲流模型不斷從范圍內(nèi)抽取數(shù)據(jù)進行迭代計算，在一定時間段內(nèi)，鉆孔埋管周圍測得的溫度響應值與線熱源滲流模型計算得到的溫度響應值的方差和最小時，此時可得到地下水流速的大小和方向。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。