[发明专利]一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统及测试方法

说明书

一种能量桩热‑流‑力耦合特性实验测试系统及测试方法，属于地源热泵空调技术及能源地下结构技术领域，由实验箱体、模型能量桩、恒温进口边界模拟系统、渗流模拟系统、数据采集系统构成；本发明解决了实际能量桩运行中热‑流‑力耦合特性难以揭示的缺陷，通过设置渗流水模拟系统及热力特性数据采集系统，可实现无渗流时干砂土工况下能量桩的热‑力耦合特性、有渗流时湿饱和砂土工况下能量桩的热‑流‑力耦合特性及有无渗流作用下桩土界面作用特性的实验测试，实现了一套实验系统多工况的模拟实验。

技术领域

本发明属于地源热泵与能源地下结构技术领域，涉及一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统及测试方法，具体的说是涉及一种可实现多工况下能量桩热-流-力耦合特性测试的实验系统及方法。

背景技术

能量桩作为一种经济高效型能源地下结构，是将地源热泵地埋管换热器与传统建筑桩基相结合而构成。与传统地源热泵地埋管换热器相比，能量桩具有承担建筑荷载与换热双重功能，且节约埋管占地面积、降低钻孔费用，因而在建筑节能工程领域逐渐得到推广应用。

现有能量桩的埋设深度一般取决于建筑桩基深度，在这一深度范围内，能量桩在运行过程中与桩周土体间不仅存在热交换，而且在还存在湿交换及由热湿交换而导致的桩体热应变及桩土间的挤压变形，是一典型的能量桩与桩周土体间的复杂热-流-力耦合作用过程，尤其对于富水地区尤为明显。为了更好的设计并优化能量桩的运行工况，必须弄清能量桩的这一复杂热-流-力耦合作用机理。然而，目前现有实际安装的能量桩无法实现这一功能。为了充分认识并掌握这一耦合作用机理，获得不同因素对能量桩热-流-力耦合特性的影响规律，有必要建立一套可实现多工况下能量桩热-流-力耦合特性的实验测试系统及测试方法。

发明内容

本发明的目的是针对目前实际安装的能量桩无法完成能量桩热-流-力耦合特性实验测试，提出一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统及测试方法，可实现多工况下能量桩热-流-力耦合特性的实验测试，以进一步获得不同因素对能量桩热-流-力耦合特性的影响规律。

本发明的技术方案是：一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统，其特征在于：所述实验测试系统由实验箱体、模型能量桩、恒温进口边界模拟系统、渗流模拟系统、数据采集系统构成；所述实验箱体通过渗流多孔板与将实验箱体的内部空间分割成渗流给水区、砂土填充区、渗流集水区；所述渗流给水区内设有第一带孔支撑板、第二带孔支撑板、第三带孔支撑板；所述渗流集水区内设有第四带孔支撑板、第五带孔支撑板、第六带孔支撑板；所述砂土填充区内设有模型能量桩及回填砂土；所述模型能量桩由内置换热器和回填混凝土构成；所述恒温进口边界模拟系统由恒温水浴、第一流量计、调节阀、第一循环水泵及保温管道连接构成；所述恒温水域通过保温管道与内置换热器的进出口连接而构成循环系统；所述渗流模拟系统由渗流给水箱、渗流给水管、渗流补水管、渗流补水箱、渗流给水箱水位控制器、第二循环水泵、渗流集水箱、渗流集水管、渗流集水箱溢水管及第二流量计构成；所述渗流给水箱通过渗流给水管与实验箱体的渗流给水区连通；所述渗流补水箱通过渗流补水管与渗流给水箱连通；通过渗流给水箱水位控制器控制第二循环水泵以实现所述渗流给水箱水位的控制；所述渗流集水箱通过渗流集水管与实验箱体的渗流集水区连通，且渗流集水管上连接有流量计；所述渗流给水箱与渗流集水箱的设置高度可调节；所述数据采集系统包括热特性与力特性数据采集系统；所述热特性数据采集系统由温度探头、温度采集仪及温度信号传输线构成；所述力学特性数据采集系统由百分表、土压力盒、应变计、应变仪、埋入式测缝计及力特性信号传输线连接构成。

所述实验箱体采用PVC板材热熔焊接而成，其中砂土填充区一侧板采用透明PVC板通过螺栓连接，以便于模型能量桩与砂土的更换及渗流水位的观测；实验箱体的尺寸通过模拟计算后以实验周期内温度不干扰到箱体边界为依据来确定。

所述渗流多孔板与靠砂土填充区的一侧设置有防堵纱网，渗流多孔板与的孔径大小及孔分布以满足渗流均匀为依据。