一种可控多因素地源热泵试验平台及其方法

技术领域

本发明属于地源热泵系统技术领域，尤其涉及一种可控多因素地源热泵试验平台及其方法

背景技术

随着能源日益消耗短缺以及矿产类化学能源所带来的环境污染日趋严重，具备低能耗、绿色环保特点的地源热泵技术已经进入到实际工程应用的视野。作为一种利用地下浅热资源(包括地下水、地表水、土壤源)的可供冷亦可供热的高效节能空调系统，地源热泵通过输出通过输入少量低品位能源，实现低位能热向高位热能转移。国内外现有的地源热泵试验平台的搭建主要表现为竖直钻井埋管的形式，这种形式的试验平台的缺点在于：

1)钻井成本高，且随深度的增加不断增大。

2)深层地质土体内部温度场复杂多变，土壤层结构繁杂，试验时难以对温度场进行控制。

3)深层地质土体内部各种因素联合作用下的试验研究不易进行，难以获得理想的实验效果。

因此，为提高地源热泵试验的可操作性，一种可控多因素地源热泵试验平台及其方法亟待出现。

发明内容

本发明提供一种可控多因素地源热泵试验平台及其方法，用以解决现有地源热泵竖向钻井试验平台难以对土层温度场进行控制、试验平台搭建成本高等问题。

本发明采用技术方案如下：一种可控多因素地源热泵试验平台，包括热响应测试仪，控制平台，水平保温槽，加热装置，制冷装置，声发射传感器，温度传感器；其中所述热响应测试仪管道进水口和出水口与同轴套管换热器相连，形成一个闭合回路。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述热响应测试仪包括循环水泵、温度传感器、流量计、电加热器、阀门。所述循环水泵与所述流量计和温度传感器相连。其中所述循环水泵的流量可控范围为0.05～5m

进一步地，为了更好的实现本发明，所述控制平台包括渗透特性控制仪、通长温度监测仪。其中所述渗透特性控制仪可实时控制监测渗流水流速，通过与计算机程序相连接，显示渗流系数。所述通长温度监测仪温度监测范围是-40～180℃，温度监测精度是±0.1℃，监测水平保温槽整个温度场的变化。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述加热装置包括电阻加热板与温度控制箱相连接。所述电阻加热板为PTC热敏电阻加热板，加热温度范围是60～270℃，耐高温且具备自动节能的特性，加热环境温度提高后，功率会逐渐降低。所述温度控制箱的控温范围是0～600℃测量精度为0.2级，响应快，控温精准，当温度达到预设值时，会触发声光报警并自行切断电源。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述制冷装置包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀。所述压缩机为超小型压缩机，体积小，重量轻，低能耗，可变频，方便试验。所述冷凝器由紫铜管和镀铜的钢丝组成，无风机，节省电耗。所述蒸发器是由两块成型板组成的板式蒸发器，阻力小，金属能耗低，传热面积可调。所述膨胀阀为内平衡式热力膨胀阀，通过感温包测量蒸发器出口管路上的回气过热度来调节开启度调节供液量。

进一步地，为了更好的实现本发明，还包括铂电阻温度传感器，所述水平保温槽内的埋管均设有所述铂电阻温度传感器，其中所述铂电阻温度传感器温度测量范围可达-50～260℃，温度测量精度为0.1℃，且防水耐腐蚀。所述铂电阻温度传感器等距分布于各区段埋管内，同时与控制平台的信号连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，还包括声发射传感器，所述声发射传感器与所述控制平台相连接。所述声发射传感器为型号PXR001的谐振式声发射传感器，其为埋入式防水型传感器，谐振频率为1kHz，灵敏度为90mv/g。同时选用环氧树脂将所述声发射传感器粘接在同轴套管换热器的管壁，提高水流流阻的测量精度。

本发明采用上述可控多因素地源热泵试验平台进行试验的方法，包括如下步骤：

1)设备安装：将地埋管换热器埋设于水平保温槽内并回填砂土，并使所述热响应测试仪管道进水口和出水口与同轴套管换热器相连，形成一个闭合回路。

2)区段装置设置：在已划分好若干区段的水平保温槽内设置渗流装置，加热装置，制冷装置，并同时与控制平台相连接。

3)土体初始温度测量：启动热响应测试仪，开始进行土体初始温度测试，使水泵运行1-2小时，系统会自动记录下该时段的数据。

4)土体综合热物性参数的提取：启动电加热器，根据埋管深度确定电加热功率，观察实时地埋管进出水温度的变化，提取相关试验数据，计算回填土体的综合导热系数等热物性参数。

更进一步说，启动加热或制冷装置，模拟不同地层环境下的地下温度场。通过相连接的控制平台来控制试验平台的温度场的变化，并记录相关数据。

本发明较于现有试验平台具有以下有益效果：

1)该试验平台通过将水平保温槽划分为若干区段，水平埋入地埋管换热器，方便模拟不同地层环境中的土壤层情况；

2)解决了搭建竖向钻井埋管式试验平台成本较高的问题；

3)加热装置和制冷装置可模拟出不用地区，不同深度土壤层温度。可控制大地温度场。便于研究多因素对地源热泵换热效率的影响，可操作性强。

附图说明

图1为本发明可控多因素地源热泵试验平台整体平面结构示意图；

图2为本发明热响应测试仪的工作原理图；

图3为本发明加热装置结构示意图；

图4为本发明制冷装置工作原理图；

图5为本发明试验平台现场布置实图；

图中：

1-热响应测试仪；2-控制平台；3-水平保温槽；4-加热装置；5-制冷装置；6-声发射传感器；7-铂电阻温度传感器；8-进水管；9-回水管；10-温度控制箱；11-电阻加热板；12-电热器；13-流量计；14-循环水泵；15-温度传感器；16-阀门；17-蒸发器；18-冷凝器；19-压缩机；20-膨胀阀。

具体实施方式

如图1和图2所示，包括热响应测试仪1，控制平台2，水平保温槽3，加热装置4，制冷装置5，声发射传感器6，铂电阻温度传感器7；其中所述热响应测试仪1的进水管8和回水管9与同轴套管换热器相连，形成一个闭合回路。上述热响应测试仪1中的循环水泵14驱动管路中的液体循环，电加热器12作为热源对液体进行加热，并通过控制器对输入土体的热量进行控制，保证输入的热量恒定。上述水平保温槽3等距划分为若干区段，各区段内可更换不同类型的回填土，便于研究不同土壤层的种类以及土壤层厚度对地埋管换热器换热效率的影响。同时，上述水平保温槽3底部与顶部均设有活动约束支架，防止装槽内的回填土体外膨致使保温槽发生变形。上述铂电阻温度传感器7以定间距设置于全长套管上，实时监测水平保温槽3内通长回填土体内部温度场的变化。

如图3所示，该试验平台中，加热装置4为模拟夏季或不同深度土壤温度的装置，包括电阻加热板11与温度控制箱10，试验时，设定好目标加热温度，对所研究的土体加热，当温度达到目标值后，与电阻加热片11连接的温度控制箱10会自行切断电源，停止加热，便于控制。

如图4所示，该试验平台中，制冷装置5为模拟严寒地区或冬季环境下土壤温度的装置，包括压缩机19、冷凝器18、蒸发器17、膨胀阀20。装置启动后，制冷剂在蒸发器17内以蒸发压力对应的蒸发温度下吸收被冷却对象的热量汽化，汽化后的低温低压制冷剂蒸汽被压缩机19抽出并压缩至冷凝压力送入冷凝器18，高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝内被环境冷却介质冷却冷凝成高压常温的制冷剂液体。该液体通过膨胀阀20降压后进入蒸发器继续汽化，从而达到制冷效果。以此来模拟严寒地区或冬季环境下土壤温度。

本发明采用上述可控多因素地源热泵试验平台进行试验的方法，包括如下步骤：

1)设备安装：将地埋管换热器埋设于水平保温槽内并回填砂土，并使所述热响应测试仪进水管和回水管与同轴套管换热器相连，形成一个闭合回路。

2)区段装置设置：将水平保温槽等距划分为若干区段，在各区段顶端与底端设置若干活动约束支架。用于约束水平槽，防止槽内回填土引起保温槽外膨变形。同时在相应区段内设置渗流装置，加热装置，制冷装置，并同时与控制平台相连接。

3)土体初始温度测量：启动热响应测试仪，开始进行土体初始温度测试，使水泵运行1-2小时，系统会自动记录下该时段的数据。

4)提取土体综合热物性参数：启动电加热器，根据埋管深度在热响应测试仪中输入合适的电加热功率，观察实时地埋管进出水温度的变化，并导出热响应测试仪中相关数据，如：进出水口温度，压力，流量，每延米换热等。

此平台的试验方法还包括如下步骤：

5)加热装置的启动：模拟夏季或者深层土体的土壤温度时，开启热响应测试仪，启动加热装置，设定好目标加热温度，对需加热区段内的土体加热。当温度达到目标值后，与电阻加热片连接的温度控制箱会自行切断电源，停止加热。同时导出热响应测试仪中的相关实验数据。

6)制冷装置的启动：模拟冬季或严寒地区土壤环境时，开启热响应测试仪，启动制冷装置，对该区段内土体进行降温，通过控制平台中的温度控制仪观察土壤层温度变化情况。并导出热响应测试仪中的相关实验数据。

进一步的，还包括水平保温槽内的埋管均设有温度传感器，所述温度传感器等距分布于各区段埋管内，且与控制平台的信号连接，可实时获取保温槽各区段内温度场的变化。同时，在保温槽的埋管内还包括有声发射传感器，用环氧树脂将其粘接在同轴套管换热器的管壁，且与控制平台的信号连接，用以监测水平埋管管道内水流的流阻。从控制平台中记录下水流流阻数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。