一種u型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置及測試方法
【專利摘要】一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置及測試方法，屬于地源熱泵空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，包括恒溫水域、循環(huán)水泵、砂型試驗臺、U型地埋管換熱器、恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)、地下水滲流模擬系統(tǒng)、流量計、流量調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器、濕度傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明不僅可完成土壤類型、土壤分層、鉆孔回填材料、土壤含濕量、土壤原始溫度、進口水溫、流體流量等因素對U型地埋管換熱器換熱性能影響規(guī)律的實驗，可開展地下水滲流與熱濕遷移條件下U型地埋管熱器換熱特性實驗，還可實現(xiàn)多種工況的測試。解決了現(xiàn)有測試裝置中僅能得到試驗孔條件下U型地埋管換熱器的傳熱性能，而不能獲得不同工況下不同因素對U型地埋管換熱器傳熱性能影響規(guī)律的缺陷。
【專利說明】
一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于地源熱栗空調(diào)利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測試裝置及測試方法，特別是涉及一種可模擬測試不同條件下U型地埋管換熱器換熱性能及其周圍土壤熱濕傳遞特性的裝置以及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地埋管換熱器的傳熱性能是影響地源熱栗系統(tǒng)能效的一個重要因素，對鉆孔數(shù)量及深度具有顯著的影響，進而影響了系統(tǒng)的初投資。地埋管換熱器與周圍土壤間的傳熱性能與土壤導(dǎo)熱性、土壤初始溫度、土壤含水率、土壤類型、鉆孔回填材料、土壤熱濕迀移特性及地下水滲流速度等因素有關(guān)。掌握各因素對地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律對于地埋管換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。因此，基于實際地埋管換熱器熱濕傳遞機理，建立一種能夠獲得不同因素對地埋管換熱器傳熱性能影響規(guī)律的測試裝置，以模擬不同工況下多因素對地埋管換熱器傳熱特性的影響，對于地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
[0003]目前，國內(nèi)現(xiàn)有地埋管換熱器傳熱性能測試通常是在實際地埋管換熱器中進行的，即按照實際設(shè)計工況鉆試驗孔，選取U型地埋管換熱器，并按設(shè)計要求選取鉆孔回填材料進行回填，然后將測試儀與試驗孔U型地埋管換熱器連接后進行測試。由于實際地埋管換熱器無法改變土壤參數(shù)、鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆孔回填材料種類。因此，這種方法只能測定試驗孔條件下U型地埋管換熱器的傳熱性能，而無法獲得非試驗孔條件下不同因素對U型地埋管換熱器換熱性能的影響規(guī)律。因此，根據(jù)實際需要探索一種可模擬測定不同工況條件下、不同因素對U型地埋管換熱器傳熱性能影響的測試裝置與測試方法，對于改善U型地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對目前實際地埋管換熱器傳熱性能測試方法僅能測得試驗孔條件下U型地埋管換熱器傳熱性能，而無法獲得非試驗孔條件下不同影響因素對U型地埋管換熱性能的影響，提出一種可模擬測量不同工況下、不同因素對U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能影響的模擬測試裝置及測試方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，其特征在于:所述測試裝置由第一恒溫水域、第二恒溫水域、第一循環(huán)水栗、第二循環(huán)水栗、砂型試驗臺、U型地埋管換熱器、恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)、地下水滲流模擬系統(tǒng)、第一流量計、第二流量計、流量調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器、濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置連接組成；
所述砂型試驗臺由頂板、第一中間隔板、第二中間隔板、第三中間隔板、底板、恒溫水套、回填土、圓柱孔壁紗網(wǎng)和鉆孔回填材料共同組成；
所述恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)由所述第二恒溫水域、第二循環(huán)水栗和恒溫水套共同組成； 所述地下水滲流模擬系統(tǒng)由高位水箱、低位水箱和所述第二流量計共同組成； 所述第一流量計的出口與所述第一恒溫水域的進口連接，所述第一恒溫水域的出口與所述第一循環(huán)水栗的進口連接，所述第一循環(huán)水栗的出口通過流量調(diào)節(jié)閥與U型地埋管換熱器的進口連接，所述U型地埋管換熱器出口與所述第一流量計的進口連接;所述第二恒溫水域的出口與所述第二循環(huán)水栗的進口連接，第二循環(huán)水栗的出口與所述恒溫水套的進口連接，所述恒溫水套的出口與所述第二恒溫水域進口連接;所述高位水箱與所述地下水滲流模擬系統(tǒng)的進口連接，所述低位水箱通過第二流量計與所述地下水滲流模擬系統(tǒng)的出口連接;所述第一流量計、第二流量計、溫度傳感器和濕度傳感器通過信號傳輸線均與所述數(shù)據(jù)采集裝置連接。
[0006]所述頂板采用絕熱材料制成，頂板、第一中間隔板、第二中間隔板、第三中間隔板和底板均為活動可拆卸式連接。
[0007]所述砂型試驗臺的尺寸、圓柱孔壁紗網(wǎng)的直徑、U型地埋管換熱器的直徑均根據(jù)實際地埋管換熱器采用相似理論確定。
[0008]所述的一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置的測試方法，其特征在于，包括如下操作步驟:
(1)測試開始前，開啟第二循環(huán)水栗，使第二恒溫水域中的水在恒溫水套中循環(huán)流動，設(shè)定第二恒溫水域中的水溫來模擬不同的土壤恒溫遠(yuǎn)界條件，探討土壤原始溫度對地埋管換熱器換熱性能的影響；
(2)開啟第一循環(huán)水栗，通過第一流量計測得地埋管換熱器中的循環(huán)水流量，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進入U型地埋管換熱器的循環(huán)流量，探討不同流量對其換熱性能的影響；
(3)設(shè)定第一恒溫水域中的水溫獲得不同進口溫度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響；
(4)調(diào)節(jié)高位水箱與低位水箱的高差來獲得不同地下水滲流速度，模擬地下水滲流速度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響；
(5)通過布置在U型地埋管換熱器周圍土壤中的溫度傳感器與濕度傳感器測得換熱過程中土壤的溫度與濕度數(shù)據(jù)，獲得土壤的熱濕耦合迀移特性及其對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律；
(6)拆卸頂板、第一中間隔板、第二中間隔板、第三中間隔板、及底板更換土壤類型及不同層土壤類型的分布，獲得不同土壤類型及土壤分層對U型地埋管換熱器換熱性能的影響；
(7)拆卸底板更換鉆孔回填材料，探討鉆孔回填材料對地埋管換熱性能的影響。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，結(jié)構(gòu)簡單、工作原理清晰，本發(fā)明可克服實際U型地埋管換熱器傳熱性能測試方法僅能測得試驗孔條件下傳熱性能，而無法獲得非試驗孔條件下不同影響因素對U型地埋管換熱器換熱性能影響規(guī)律的缺陷，其優(yōu)點在于一套裝置可模擬測量不同工況下、不同因素對U型地埋管換熱器傳熱性能影響規(guī)律，具體有益效果在于:
(1)可獲得土壤類型、鉆孔回填材料類型、土壤含水率、地下水滲流速度、U型地埋管換熱器進口水溫、循環(huán)流量及土壤原始溫度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律，為地源熱栗地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)；
(2)可獲得不同換熱條件與換熱工況下(包括恒熱流條件、變熱流條件、吸熱工況、放熱工況)地埋管換熱器周圍土壤的熱濕耦合傳遞特性，為地埋管換熱器的強化換熱提供參考； (3)可探討土壤分層條件下地埋管換熱器的換熱特性，獲得地埋管換熱器深度范圍內(nèi)土壤分層排列對地埋管換熱器換熱特性的影響規(guī)律。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖中:第一恒溫水域1-1、第二恒溫水域1-2、砂型實驗臺2、頂板2-1、第一中間隔板2-2、第二中間隔板2-3、第二中間隔板2-4、底板2-5、丨旦溫水套2_6、回填土2_7、圓柱孔壁紗網(wǎng)2-8、鉆孔回填材料2-9、U型地埋管換熱器3、高位水箱4-1、低位水箱4-2、第一流量計5-1、第二流量計5-2、第一循環(huán)水栗6-1、第二循環(huán)水栗6-2、流量調(diào)節(jié)閥7、數(shù)據(jù)采集裝置8、溫度傳感器9、濕度傳感器10。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
如圖1所示，一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，測試裝置由第一恒溫水域1-1、第二恒溫水域1-2、第一循環(huán)水栗6-1、第二循環(huán)水栗6-2、砂型試驗臺2、U型地埋管換熱器3、恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)、地下水滲流模擬系統(tǒng)、第一流量計5-1、第二流量計5-2、流量調(diào)節(jié)閥7、溫度傳感器9、濕度傳感器10和數(shù)據(jù)采集裝置8連接組成；
砂型試驗臺2由頂板2-1、第一中間隔板2-2、第二中間隔板2-3、第三中間隔板2-4、底板2-5、恒溫水套2-6、回填土 2-7、圓柱孔壁紗網(wǎng)2-8和鉆孔回填材料2-9共同組成;恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)由第二恒溫水域1-2、第二循環(huán)水栗6-2和恒溫水套2-6共同組成;地下水滲流模擬系統(tǒng)由高位水箱4-1、低位水箱4-2和第二流量計5-2共同組成;第一流量計5-1的出口與第一恒溫水域1-1的進口連接，第一恒溫水域1-1的出口與第一循環(huán)水栗6-1的進口連接，第一循環(huán)水栗6-1的出口通過流量調(diào)節(jié)閥7與U型地埋管換熱器3的進口連接，U型地埋管換熱器3出口與第一流量計5-1的進口連接;第二恒溫水域1-2的出口與第二循環(huán)水栗6-2的進口連接，第二循環(huán)水栗6-2的出口與恒溫水套2-6的進口連接，恒溫水套2-6的出口與第二恒溫水域1-2進口連接;高位水箱4-1與地下水滲流模擬系統(tǒng)的進口連接，低位水箱4-2通過第二流量計5-2與地下水滲流模擬系統(tǒng)的出口連接;第一流量計5-1、第二流量計5-2、溫度傳感器9和濕度傳感器10通過信號傳輸線均與數(shù)據(jù)采集裝置8連接。
[0013]如圖1所示，一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，頂板2-1采用絕熱材料制成，頂板2-1、第一中間隔板2-2、第二中間隔板2-3、第三中間隔板2-4和底板2-5均為活動可拆卸式連接;砂型試驗臺2的尺寸、圓柱孔壁紗網(wǎng)2-8的直徑、U型地埋管換熱器3的直徑均根據(jù)實際埋管換熱器采用相似理論確定。
[0014]—種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置的測試方法，包括如下操作步驟:
(1)測試開始前，開啟第二循環(huán)水栗6-2，使第二恒溫水域1-2中的水在恒溫水套2-6中循環(huán)流動，設(shè)定第二恒溫水域1-2中的水溫來模擬不同的土壤恒溫遠(yuǎn)界條件，探討土壤原始溫度對地埋管換熱性能的影響；
(2)開啟第一循環(huán)水栗6-1，通過第一流量計5-1測得U型地埋管換熱器3中的循環(huán)水流量，通過流量調(diào)節(jié)閥7調(diào)節(jié)進入U型地埋管換熱器的循環(huán)流量，探討不同流量對其換熱性能的影響；
(3)設(shè)定第一恒溫水域1-1中的水溫獲得不同進口溫度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響；
(4)調(diào)節(jié)高位水箱4-1與低位水箱4-2的高差來獲得不同地下水滲流速度，模擬地下水滲流速度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響；
(5)通過布置在U型地埋管換熱器周圍土壤中的溫度傳感器9與濕度傳感器10測得換熱過程中土壤的溫度與濕度數(shù)據(jù)，獲得土壤的熱濕耦合迀移特性及其對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律；
(6)拆卸頂板2-1、第一中間隔板2-2、第二中間隔板2-3、第三中間隔板2-4、及底板2-5更換土壤類型及不同層土壤類型的分布，獲得不同土壤類型及土壤分層對U型地埋管換熱器換熱性能的影響；
(7)拆卸底板2-5更換鉆孔回填材料2-9，探討鉆孔回填材料種類對地埋管換熱性能的影響。
[0015]本發(fā)明針對實際U型地埋管換熱器性能測試方法存在無法改變測試條件與參數(shù)以獲得不同工況下不同因素對U型地埋管換熱器換熱性能影響規(guī)律的缺陷，提出了一種基于相似理論的可測量多工況、多因素對U型地埋管換熱器傳熱性能影響規(guī)律的模擬測試裝置及測試方法。該發(fā)明不僅可完成土壤類型、土壤分層、鉆孔回填材料、土壤含濕量、土壤原始溫度、埋管進口水溫、埋管流體流量等因素對U型地埋管換熱器換熱性能影響規(guī)律的實驗，而且還可開展地下水滲流與熱濕迀移條件下U型地埋管熱器換熱特性實驗，一套系統(tǒng)可實現(xiàn)多種工況的測試。
【主權(quán)項】
1.一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，其特征在于:所述測試裝置由第一恒溫水域(1-1 )、第二恒溫水域(1-2)、第一循環(huán)水栗(6-1)、第二循環(huán)水栗(6-2)、砂型試驗臺(2)、U型地埋管換熱器(3)、恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)、地下水滲流模擬系統(tǒng)、第一流量計(5-1)、第二流量計(5-2)、流量調(diào)節(jié)閥(7)、溫度傳感器(9)、濕度傳感器(10)和數(shù)據(jù)采集裝置(8)連接組成； 所述砂型試驗臺(2)由頂板(2-1)、第一中間隔板(2-2)、第二中間隔板(2-3)、第三中間隔板(2-4)、底板(2-5)、恒溫水套(2-6)、回填土 (2-7)、圓柱孔壁紗網(wǎng)(2-8)和鉆孔回填材料(2-9)共同組成； 所述恒溫遠(yuǎn)邊界模擬系統(tǒng)由所述第二恒溫水域(1-2)、第二循環(huán)水栗(6-2)和恒溫水套(2-6)共同組成； 所述地下水滲流模擬系統(tǒng)由高位水箱(4-1)、低位水箱(4-2)和所述第二流量計(5-2)共同組成； 所述第一流量計(5-1)的出口與所述第一恒溫水域(1-1)的進口連接，所述第一恒溫水域(1-1)的出口與所述第一循環(huán)水栗(6-1)的進口連接，所述第一循環(huán)水栗(6-1)的出口通過流量調(diào)節(jié)閥(7)與U型地埋管換熱器(3)的進口連接，所述U型地埋管換熱器(3)出口與所述第一流量計(5-1)的進口連接;所述第二恒溫水域(1-2)的出口與所述第二循環(huán)水栗(6-2)的進口連接，第二循環(huán)水栗(6-2)的出口與所述恒溫水套(2-6)的進口連接，所述恒溫水套(2-6)的出口與所述第二恒溫水域(1-2)進口連接;所述高位水箱(4-1)與所述地下水滲流模擬系統(tǒng)的進口連接，所述低位水箱(4-2)通過第二流量計(5-2)與所述地下水滲流模擬系統(tǒng)的出口連接;所述第一流量計(5-1)、第二流量計(5-2)、溫度傳感器(9)和濕度傳感器(10)通過信號傳輸線均與所述數(shù)據(jù)采集裝置(8)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，其特征在于:所述頂板(2-1)采用絕熱材料制成，頂板(2-1)、第一中間隔板(2-2)、第二中間隔板(2-3)、第三中間隔板(2-4)和底板(2-5)均為活動可拆卸式連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置，其特征在于:所述砂型試驗臺(2)的尺寸、圓柱孔壁紗網(wǎng)(2-8)的直徑、U型地埋管換熱器(3)的直徑均根據(jù)實際地埋管換熱器采用相似理論確定。4.如權(quán)利要求1所述的一種U型地埋管換熱器熱濕傳遞性能模擬測試裝置的測試方法，其特征在于，包括如下操作步驟: (1)測試開始前，開啟第二循環(huán)水栗(6-2)，使第二恒溫水域(1-2)中的水在恒溫水套(2-6)中循環(huán)流動，設(shè)定第二恒溫水域(1-2)中的水溫來模擬不同的土壤恒溫遠(yuǎn)界條件，探討土壤原始溫度對地埋管換熱器換熱性能的影響； (2)開啟第一循環(huán)水栗(6-1)，通過第一流量計(5-1)測得U型地埋管換熱器(3)中的循環(huán)水流量，通過流量調(diào)節(jié)閥(7)調(diào)節(jié)進入U型地埋管換熱器的循環(huán)流量，探討不同流量對其換熱性能的影響； (3)設(shè)定第一恒溫水域(1-1)中的水溫獲得不同進口溫度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響； (4)調(diào)節(jié)高位水箱(4-1)與低位水箱(4-2)的高差來獲得不同地下水滲流速度，模擬地下水滲流速度對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響； (5)通過布置在U型地埋管換熱器周圍土壤中的溫度傳感器(9)與濕度傳感器(10)測得換熱過程中土壤的溫度與濕度數(shù)據(jù)，獲得土壤的熱濕耦合迀移特性及其對U型地埋管換熱器傳熱性能的影響規(guī)律； (6)拆卸頂板(2-1)、第一中間隔板(2-2)、第二中間隔板(2-3)、第三中間隔板(2-4)、及底板(2-5)更換土壤類型及不同層土壤類型的分布，獲得不同土壤類型及土壤分層對U型地埋管換熱器換熱性能的影響； (7)拆卸底板(2-5)更換鉆孔回填材料(2-9)，探討鉆孔回填材料對U型地埋管換熱器換熱性能的影響。
【文檔編號】G01M99/00GK106017965SQ201610546486
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】楊衛(wèi)波, 楊晶晶
【申請人】揚州大學(xué)