[发明专利]地源热泵岩土热响应测试室内模型试验装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程地源热泵技术领域，尤其是涉及一种地源热泵岩土热响应测试室内模型试验装置及其应用。

背景技术

地源热泵技术是人们利用浅层地热能的一种方式。浅层地热能是地热资源的一部分，资源丰富、分布广泛、温度稳定，开发技术臻于成熟，目前已广泛应用于供暖和制冷，是一种很好的替代能源和清洁能源，具有绿色环保、高效节能、运行成本低、可持续利用、技术成熟、不消耗地下水等特点，应用前景广阔。

长期以来，地源热泵系统的设计工作由暖通空调专业人士完成。他们从自身专业的角度出发，更为关心如何使地源热泵系统稳定、高效、持续的运转，侧重于换热系统本身。由于专业知识的局限，在设计中为确定埋管长度，单纯计算冬季日最大热负荷和夏季日最大冷负荷。实际工程中，冷热负荷多数情况下是不相等的，地埋管式地源热泵系统向地层排放的总热量与吸收的总热量并不相等，造成所谓的“热失衡”问题。上海每年需要在夏季制冷的时间比需要在冬季制热的时间几乎长一倍，冷负荷远大于热负荷。若持续每年累计向地层排放的热量大于向地层吸取的热量，即使该地区地下恒温带每年只升高，10年后该地源热泵系统便无法有效正常工作。

恒温地层的温度一旦发生改变，势必引起地层及所影响范围内土的物理力学性质的改变，使原本稳定的地基土发生因温度变化产生的热扰动，严重的影响上部结构和地下建筑的工程稳定性和安全性。所以地源热泵系统的设计对于相关地层热物性参数的选取尤为谨慎，长期以来地源热泵热换热器的设计主要以进行地层的热物性原位测试和经验相结合的方法来获取为主。上海基于地埋管式地源热泵的工程实例尚不多，尚处在经验数值的积累阶段，设计需要的地层热物性参数相对缺乏，因此每个地源热泵工程前都要求进行原位岩土热响应测试，需要在埋设地热换热器的现场钻孔打井，测试时，地下埋管换热器和测试系统内部的循环管道相连形成封闭环路，利用加热器或热泵向管路中的流体输入热量或冷量，当流体流经地下换热器时与地下岩土进行热交换，同时测得流体入口、出口温度和流体流量等数据，从机器的入场到出场，需要耗费巨大的人力，物力以及时间，而且由于现场测试工作的简化，只能测得地埋管所处土体所有地层的综合热导率，对地源热泵长期运行后地下土层热被环境效应(尤其是上海第四层淤泥质软粘土层)的估量是不够的。

上海地区软土地层分布广、厚度大，浅层淤泥质粘土层尤其如此。淤泥质粘土不同于颗粒土的结构、力学和热学物理特性，决定了土层温度场变化的特殊性。地层出现热失衡后的温度场变化也呈现与其他类型地层相异的性质。淤泥质粘土层距离地层表面较近，由淤泥质粘土层热失衡引发的“热被效应”对整个地区的生态将有较大的影响。

目前，在地源热泵工程技术研究领域，尚无相关模型试验装置和方法来测试地层热物性参数。与本发明相似的产品主要是各种现场原位热响应测试的装置及方法，而且主要涉及上海软土地区的几乎没有，如山东建筑工程学院地源热泵研究所李晓东等人的发明专利“基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法”(专利号：CN1815211A)、重庆大学丁勇等人的专利“地源热泵地下换热器的换热量测试仪”(专利号：CN101299000A)、东南大学陈振乾等人的专利“地源热泵低品位热源热响应远程测试仪”(申请专利号：CN102012699A)以及南京大学李晓昭等人的专利“地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法”(申请专利号：CN102033079A)。此外还有一些发明专利大多是涉及现场地源热泵施工技术方面的，对于地源热泵的环境效应考虑甚少，能获得热交换土体的分层热导率的发明专利更少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种地源热泵岩土热响应测试室内模型试验装置及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种地源热泵岩土热响应测试室内模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、试验用土模型、测量模块、数据采集模块、热循环模块和上位PC机，所述的试验用土模型设在模型箱内，所述的测量模块设在试验用土模型中，所述的热循环模块与试验用土模型连接，所述的数据采集模块与测量模块连接，所述的数据采集模块与上位PC机连接。

所述的模型箱的左、右、后立面和底面采用整块4mm厚的建筑钢板焊成并刷防锈漆；前立面采用整块1cm厚的密封不漏水的钢化玻璃；模型箱内壁与试验用土模型接触的部位设有的隔热层。

所述的试验用土模型为研究区域的原状土体，根据相应的模型比设计厚度分层铺设各土层。