[发明专利]一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法

权利要求书

1.一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，包括：

砂箱(2)，用于填充土壤材料；

恒温组件，与砂箱(2)的箱壁连接，用于控制土壤材料的温度；

换热组件，设置在土壤材料中，所述换热组件内部装有换热介质，换热组件上设置有入口和出口；

数据采集组件，设置在换热组件上，用于分别采集换热组件的入口和出口处的换热介质的温度；

渗流组件，包括给水单元，设置在砂箱(2)的顶部；集水单元，设置在砂箱(2)的底部。

2.如权利要求1所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述砂箱(2)是由上、下、左、右、顶部和底部六个水箱围合成的六面体结构，土壤材料填充在六面体结构内部，每个所述水箱均设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口均与恒温组件的对应接口连接。

3.如权利要求2所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述恒温组件包括第一恒温槽(1)和第二恒温槽(4)，所述第一恒温槽(1)和第二恒温槽(4)与对应的水箱连接。

4.如权利要求3所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述换热组件包括地埋管，砂箱(2)的外部设置有第三恒温槽(9)，所述地埋管的两端与第三恒温槽(9)连接，地埋管水平或竖直设置在土壤材料中，上、下、左和右水箱的中心均设置有用于地埋管穿过的预留孔(18)，预留孔(18)位置处设置有防止土壤材料漏出的挡板。

5.如权利要求4所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述给水单元包括渗流给水箱(3)，渗流给水箱(3)设置在六面体结构的外部，且位于顶部水箱的上方，所述渗流给水箱(3)的出水口与砂箱(2)的内顶部连通，集水单元包括渗流排水管(15)，渗流排水管(15)的一端与砂箱(2)的内底部连通，另外一端连通有渗流集水箱(8)，所述砂箱(2)的每一侧内壁均设置有渗流孔板(13)，渗流孔板(13)的一侧设置有滤网，所述滤网的孔径小于土壤材料的颗粒粒径。

6.如权利要求5所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述数据采集组件包括：两个第一温度传感器，分别设置在地埋管的入口和出口处；多个第二温度传感器(14)，设置在地埋管外部的土壤材料中，所述多个第二温度传感器(14)沿地埋管的径向和轴向分布。

7.一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，采用权利要求4-6任一所述的系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、确定砂箱实验系统的尺寸，搭建砂箱实验系统；

S2、水箱注入恒温水开始循环，待砂箱(2)中的土壤达到目标温度；

S3、开启地埋管连接的第三恒温槽(9)，分别采集地埋管入口和出口处循环水温度随时间变化数据以及土壤温度分布随时间变化情况；

S4、改变水箱温度模拟不同深度下实际土壤温度，重复以上过程。

8.如权利要求7所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，其特征在于，步骤S1中，确定砂箱实验系统尺寸的方法包括以下步骤：

S11、建立中深层土壤多孔介质—渗流传热模型；

S12、利用模型数据分析软件，将工程实际参数代入中深层土壤多孔介质—渗流传热模型进行求解，得到相应地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；

S13、根据相似原理，按照不同相似比缩小地埋管参数，依次求解各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；

S14、将步骤S13中各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况与步骤S12中根据实际参数得到的地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况进行误差对比，综合试验台成本与允许误差确定试验系统搭建尺寸。