CN106017965B - 一种u型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法 - Google Patents

一种u型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法，属于地源热泵空调技术领域，包括恒温水域、循环水泵、砂型试验台、U型地埋管换热器、恒温远边界模拟系统、地下水渗流模拟系统、流量计、流量调节阀、温度传感器、湿度传感器及数据采集装置。本发明不仅可完成土壤类型、土壤分层、钻孔回填材料、土壤含湿量、土壤原始温度、进口水温、流体流量等因素对U型地埋管换热器换热性能影响规律的实验，可开展地下水渗流与热湿迁移条件下U型地埋管热器换热特性实验，还可实现多种工况的测试。解决了现有测试装置中仅能得到试验孔条件下U型地埋管换热器的传热性能，而不能获得不同工况下不同因素对U型地埋管换热器传热性能影响规律的缺陷。

Description

一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试 方法
技术领域
本发明属于地源热泵空调利用技术领域，涉及一种测试装置及测试方法，特别是涉及一种可模拟测试不同条件下U型地埋管换热器换热性能及其周围土壤热湿传递特性的装置以及测试方法。
背景技术
地埋管换热器的传热性能是影响地源热泵系统能效的一个重要因素，对钻孔数量及深度具有显著的影响，进而影响了系统的初投资。地埋管换热器与周围土壤间的传热性能与土壤导热性、土壤初始温度、土壤含水率、土壤类型、钻孔回填材料、土壤热湿迁移特性及地下水渗流速度等因素有关。掌握各因素对地埋管换热器传热性能的影响规律对于地埋管换热系统的优化设计至关重要。因此，基于实际地埋管换热器热湿传递机理，建立一种能够获得不同因素对地埋管换热器传热性能影响规律的测试装置，以模拟不同工况下多因素对地埋管换热器传热特性的影响，对于地埋管换热器的优化设计具有重要指导意义。
目前，国内现有地埋管换热器传热性能测试通常是在实际地埋管换热器中进行的，即按照实际设计工况钻试验孔，选取U 型地埋管换热器，并按设计要求选取钻孔回填材料进行回填，然后将测试仪与试验孔U型地埋管换热器连接后进行测试。由于实际地埋管换热器无法改变土壤参数、钻孔结构及钻孔回填材料种类。因此，这种方法只能测定试验孔条件下U型地埋管换热器的传热性能，而无法获得非试验孔条件下不同因素对U型地埋管换热器换热性能的影响规律。因此，根据实际需要探索一种可模拟测定不同工况条件下、不同因素对U型地埋管换热器传热性能影响的测试装置与测试方法，对于改善U型地埋管换热器的优化设计具有重要指导意义。
发明内容
本发明的目的就是针对目前实际地埋管换热器传热性能测试方法仅能测得试验孔条件下U型地埋管换热器传热性能，而无法获得非试验孔条件下不同影响因素对U型地埋管换热性能的影响，提出一种可模拟测量不同工况下、不同因素对U型地埋管换热器热湿传递性能影响的模拟测试装置及测试方法。
本发明的技术方案是：一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置，其特征在于：所述测试装置由第一恒温水域、第二恒温水域、第一循环水泵、第二循环水泵、砂型试验台、U型地埋管换热器、恒温远边界模拟系统、地下水渗流模拟系统、第一流量计、第二流量计、流量调节阀、温度传感器、湿度传感器和数据采集装置连接组成；
所述砂型试验台由顶板、第一中间隔板、第二中间隔板、第三中间隔板、底板、恒温水套、回填土、圆柱孔壁纱网和钻孔回填材料共同组成；
所述恒温远边界模拟系统由所述第二恒温水域、第二循环水泵和恒温水套共同组成；
所述地下水渗流模拟系统由高位水箱、低位水箱和所述第二流量计共同组成；
所述第一流量计的出口与所述第一恒温水域的进口连接，所述第一恒温水域的出口与所述第一循环水泵的进口连接，所述第一循环水泵的出口通过流量调节阀与U型地埋管换热器的进口连接，所述U型地埋管换热器出口与所述第一流量计的进口连接；所述第二恒温水域的出口与所述第二循环水泵的进口连接，第二循环水泵的出口与所述恒温水套的进口连接，所述恒温水套的出口与所述第二恒温水域进口连接；所述高位水箱与所述地下水渗流模拟系统的进口连接，所述低位水箱通过第二流量计与所述地下水渗流模拟系统的出口连接；所述第一流量计、第二流量计、温度传感器和湿度传感器通过信号传输线均与所述数据采集装置连接。
所述顶板采用绝热材料制成，顶板、第一中间隔板、第二中间隔板、第三中间隔板和底板均为活动可拆卸式连接。
所述砂型试验台的尺寸、圆柱孔壁纱网的直径、U型地埋管换热器的直径均根据实际地埋管换热器采用相似理论确定。
所述的一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)测试开始前，开启第二循环水泵，使第二恒温水域中的水在恒温水套中循环流动，设定第二恒温水域中的水温来模拟不同的土壤恒温远界条件，探讨土壤原始温度对地埋管换热器换热性能的影响；
(2)开启第一循环水泵，通过第一流量计测得地埋管换热器中的循环水流量，通过流量调节阀调节进入U型地埋管换热器的循环流量，探讨不同流量对其换热性能的影响；
(3)设定第一恒温水域中的水温获得不同进口温度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(4)调节高位水箱与低位水箱的高差来获得不同地下水渗流速度，模拟地下水渗流速度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(5)通过布置在U型地埋管换热器周围土壤中的温度传感器与湿度传感器测得换热过程中土壤的温度与湿度数据，获得土壤的热湿耦合迁移特性及其对U型地埋管换热器传热性能的影响规律；
(6)拆卸顶板、第一中间隔板、第二中间隔板、第三中间隔板、及底板更换土壤类型及不同层土壤类型的分布，获得不同土壤类型及土壤分层对U型地埋管换热器换热性能的影响；
(7)拆卸底板更换钻孔回填材料，探讨钻孔回填材料对地埋管换热性能的影响。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置，结构简单、工作原理清晰，本发明可克服实际U型地埋管换热器传热性能测试方法仅能测得试验孔条件下传热性能，而无法获得非试验孔条件下不同影响因素对U型地埋管换热器换热性能影响规律的缺陷，其优点在于一套装置可模拟测量不同工况下、不同因素对U型地埋管换热器传热性能影响规律，具体有益效果在于：
(1)可获得土壤类型、钻孔回填材料类型、土壤含水率、地下水渗流速度、U型地埋管换热器进口水温、循环流量及土壤原始温度对U型地埋管换热器传热性能的影响规律，为地源热泵地埋管换热器的优化设计提供依据；
(2)可获得不同换热条件与换热工况下(包括恒热流条件、变热流条件、吸热工况、放热工况)地埋管换热器周围土壤的热湿耦合传递特性，为地埋管换热器的强化换热提供参考；
(3)可探讨土壤分层条件下地埋管换热器的换热特性，获得地埋管换热器深度范围内土壤分层排列对地埋管换热器换热特性的影响规律。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图中：第一恒温水域1-1、第二恒温水域1-2、砂型实验台2、顶板2-1、第一中间隔板2-2、第二中间隔板2-3、第三中间隔板2-4、底板2-5、恒温水套2-6、回填土2-7、圆柱孔壁纱网2-8、钻孔回填材料2-9、U型地埋管换热器3、高位水箱4-1、低位水箱4-2、第一流量计5-1、第二流量计5-2、第一循环水泵6-1、第二循环水泵6-2、流量调节阀7、数据采集装置8、温度传感器9、湿度传感器10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置，测试装置由第一恒温水域1-1、第二恒温水域1-2、第一循环水泵6-1、第二循环水泵6-2、砂型试验台2、U型地埋管换热器3、恒温远边界模拟系统、地下水渗流模拟系统、第一流量计5-1、第二流量计5-2、流量调节阀7、温度传感器9、湿度传感器10和数据采集装置8连接组成；
砂型试验台2由顶板2-1、第一中间隔板2-2、第二中间隔板2-3、第三中间隔板2-4、底板2-5、恒温水套2-6、回填土2-7、圆柱孔壁纱网2-8和钻孔回填材料2-9共同组成；恒温远边界模拟系统由第二恒温水域1-2、第二循环水泵6-2和恒温水套2-6共同组成；地下水渗流模拟系统由高位水箱4-1、低位水箱4-2和第二流量计5-2共同组成；第一流量计5-1的出口与第一恒温水域1-1的进口连接，第一恒温水域1-1的出口与第一循环水泵6-1的进口连接，第一循环水泵6-1的出口通过流量调节阀7与U型地埋管换热器3的进口连接，U型地埋管换热器3出口与第一流量计5-1的进口连接；第二恒温水域1-2的出口与第二循环水泵6-2的进口连接，第二循环水泵6-2的出口与恒温水套2-6的进口连接，恒温水套2-6的出口与第二恒温水域1-2进口连接；高位水箱4-1与地下水渗流模拟系统的进口连接，低位水箱4-2通过第二流量计5-2与地下水渗流模拟系统的出口连接；第一流量计5-1、第二流量计5-2、温度传感器9和湿度传感器10通过信号传输线均与数据采集装置8连接。
如图1所示，一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置，顶板2-1采用绝热材料制成，顶板2-1、第一中间隔板2-2、第二中间隔板2-3、第三中间隔板2-4和底板2-5均为活动可拆卸式连接；砂型试验台2的尺寸、圆柱孔壁纱网2-8的直径、U型地埋管换热器3的直径均根据实际埋管换热器采用相似理论确定。
一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置的测试方法，包括如下操作步骤：
(1)测试开始前，开启第二循环水泵6-2，使第二恒温水域1-2中的水在恒温水套2-6中循环流动，设定第二恒温水域1-2中的水温来模拟不同的土壤恒温远界条件，探讨土壤原始温度对地埋管换热性能的影响；
(2)开启第一循环水泵6-1，通过第一流量计5-1测得U型地埋管换热器3中的循环水流量，通过流量调节阀7调节进入U型地埋管换热器的循环流量，探讨不同流量对其换热性能的影响；
(3)设定第一恒温水域1-1中的水温获得不同进口温度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(4)调节高位水箱4-1与低位水箱4-2的高差来获得不同地下水渗流速度，模拟地下水渗流速度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(5)通过布置在U型地埋管换热器周围土壤中的温度传感器9与湿度传感器10测得换热过程中土壤的温度与湿度数据，获得土壤的热湿耦合迁移特性及其对U型地埋管换热器传热性能的影响规律；
(6)拆卸顶板2-1、第一中间隔板2-2、第二中间隔板2-3、第三中间隔板2-4、及底板2-5更换土壤类型及不同层土壤类型的分布，获得不同土壤类型及土壤分层对U型地埋管换热器换热性能的影响；
(7)拆卸底板2-5更换钻孔回填材料2-9，探讨钻孔回填材料种类对地埋管换热性能的影响。
本发明针对实际U型地埋管换热器性能测试方法存在无法改变测试条件与参数以获得不同工况下不同因素对U型地埋管换热器换热性能影响规律的缺陷，提出了一种基于相似理论的可测量多工况、多因素对U型地埋管换热器传热性能影响规律的模拟测试装置及测试方法。该发明不仅可完成土壤类型、土壤分层、钻孔回填材料、土壤含湿量、土壤原始温度、埋管进口水温、埋管流体流量等因素对U型地埋管换热器换热性能影响规律的实验，而且还可开展地下水渗流与热湿迁移条件下U型地埋管热器换热特性实验，一套系统可实现多种工况的测试。

Claims (2)

1.一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置，其特征在于：所述测试装置由第一恒温水域(1-1)、第二恒温水域(1-2)、第一循环水泵(6-1)、第二循环水泵(6-2)、砂型试验台(2)、U型地埋管换热器(3)、恒温远边界模拟系统、地下水渗流模拟系统、第一流量计(5-1)、第二流量计(5-2)、流量调节阀(7)、温度传感器(9)、湿度传感器(10)和数据采集装置(8)连接组成；
所述砂型试验台(2)由顶板(2-1)、第一中间隔板(2-2)、第二中间隔板(2-3)、第三中间隔板(2-4)、底板(2-5)、恒温水套(2-6)、回填土(2-7)、圆柱孔壁纱网(2-8)和钻孔回填材料(2-9)共同组成；所述顶板(2-1)采用绝热材料制成，顶板(2-1)、第一中间隔板(2-2)、第二中间隔板(2-3)、第三中间隔板(2-4)和底板(2-5)均为活动可拆卸式连接；所述砂型试验台(2)的尺寸、圆柱孔壁纱网(2-8)的直径、U型地埋管换热器(3)的直径均根据实际地埋管换热器采用相似理论确定；
所述恒温远边界模拟系统由所述第二恒温水域(1-2)、第二循环水泵(6-2)和恒温水套(2-6)共同组成；
所述地下水渗流模拟系统由高位水箱(4-1)、低位水箱(4-2)和所述第二流量计(5-2)共同组成；
所述第一流量计(5-1)的出口与所述第一恒温水域(1-1)的进口连接，所述第一恒温水域(1-1)的出口与所述第一循环水泵(6-1)的进口连接，所述第一循环水泵(6-1)的出口通过流量调节阀(7)与U型地埋管换热器(3)的进口连接，所述U型地埋管换热器(3)出口与所述第一流量计(5-1)的进口连接；所述第二恒温水域(1-2)的出口与所述第二循环水泵(6-2)的进口连接，第二循环水泵(6-2)的出口与所述恒温水套(2-6)的进口连接，所述恒温水套(2-6)的出口与所述第二恒温水域(1-2)进口连接；所述高位水箱(4-1)与所述地下水渗流模拟系统的进口连接，所述低位水箱(4-2)通过第二流量计(5-2)与所述地下水渗流模拟系统的出口连接；所述第一流量计(5-1)、第二流量计(5-2)、温度传感器(9)和湿度传感器(10)通过信号传输线均与所述数据采集装置(8)连接。
2.如权利要求1所述的一种U型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)测试开始前，开启第二循环水泵(6-2)，使第二恒温水域(1-2)中的水在恒温水套(2-6)中循环流动，设定第二恒温水域(1-2)中的水温来模拟不同的土壤恒温远界条件，探讨土壤原始温度对地埋管换热器换热性能的影响；
(2)开启第一循环水泵(6-1)，通过第一流量计(5-1)测得U型地埋管换热器(3)中的循环水流量，通过流量调节阀(7)调节进入U型地埋管换热器的循环流量，探讨不同流量对其换热性能的影响；
(3)设定第一恒温水域(1-1)中的水温获得不同进口温度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(4)调节高位水箱(4-1)与低位水箱(4-2)的高差来获得不同地下水渗流速度，模拟地下水渗流速度对U型地埋管换热器传热性能的影响；
(5)通过布置在U型地埋管换热器周围土壤中的温度传感器(9)与湿度传感器(10)测得换热过程中土壤的温度与湿度数据，获得土壤的热湿耦合迁移特性及其对U型地埋管换热器传热性能的影响规律；
(6)拆卸顶板(2-1)、第一中间隔板(2-2)、第二中间隔板(2-3)、第三中间隔板(2-4)、及底板(2-5)更换土壤类型及不同层土壤类型的分布，获得不同土壤类型及土壤分层对U型地埋管换热器换热性能的影响；
(7)拆卸底板(2-5)更换钻孔回填材料(2-9)，探讨钻孔回填材料对U型地埋管换热器换热性能的影响。
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