[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

说明书

本发明涉及一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，该系统包括砂箱、恒温组件、换热组件、渗流组件与数据采集组件，砂箱主体由六个独立水箱围合而成，上部水箱作为独立部件，其余部分通过焊接形成整体，砂箱主体内部填充土壤材料，地埋管埋设在砂箱中央与土壤材料换热，地埋管进出水口分别与第三恒温槽连接，且地埋管入口和出口处均设置有第一温度传感器，水流量由第三恒温槽控制，通过测量入口和出口处温度差以及流量信息可测得地埋管在土壤材料中的换热情况，本发明设置换热组件、渗流组件，可分别模拟地温梯度、地下垂直、平行渗流多因素单独及耦合作用对地埋管换热器传热过程的影响，可以更加准确的反映真实传热过程。

技术领域

本发明涉及地热能利用技术领域，特别涉及一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法。

背景技术

大地热流指单位时间内以传导或对流方式由地球内部、经地球的固体表面向外传送的热能，由于大地热流的存在，存在地层深度越深温度越高的现象。

传统浅层地源热泵系统中地埋管深度通常为80m-150m，土壤温度通常低于20℃，因此浅层地源热泵系统效率较低，结合地层深度越深温度越高的现象，近年来开发出中深层地源热泵技术，中深层地埋管换热器钻孔上下温差可达25℃-75℃，相比可浅层地源热泵系统以显著提高系统效率。

中深层地源热泵技术是指布置深至地下2000-3000m的中深层地埋管换热器，通过换热器套管内部流动介质的闭式循环抽取深部岩土内赋存的热量，并进一步通过热泵提升能量品位为建筑供热的地热供热技术，可以减少二氧化碳和其他温室气体及污染物排放，是一项利用清洁可再生能源的新技术。U形地埋管是中深层地源热泵技术中一种地埋管形式，U形地埋管取热技术兼具换热效率高和取热不取水等优点，U形地埋管由下降管、水平管、上升管三部分组成，其优势在于较长的水平管段可以显著提高换热面积从而提取到更多的热量。

中深层U形地埋管钻孔深度可达2000-3000m，水平管长可达500m以上，现有实验系统多依据相似理论搭建，不能有效模拟地温梯度、地下水渗流以及地质分层单因素及耦合作用，不能贴合实际模拟中深层地埋管换热器换热特性，模拟结果不准确。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，通过设置换热组件、渗流组件可以更加贴合实际的模拟地下水渗流、地温梯度对中深层地埋管换热器换热影响。

本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，包括：

砂箱，用于填充土壤材料；

恒温组件，与砂箱的箱壁连接，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，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，设置在砂箱的顶部；集水单元，设置在砂箱的底部。

优选的，所述砂箱是由上、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，进水口和出水口与恒温组件连接。

优选的，所述换热组件包括地埋管，地埋管的两端连接有第三恒温槽9，地埋管水平或竖直设置在土壤材料中间，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，预留孔位置处设置有防止土壤材料漏出的挡板。

优选的，所述给水单元包括渗流给水箱，渗流给水箱设置在六面体结构的外部，且位于顶部水箱的上方，所述渗流给水箱的出水口与砂箱的顶部连通，集水单元包括渗流排水管，渗流排水管的一端与砂箱的底部连通，另外一端连通有渗流集水箱，所述砂箱的每个内壁均设置有渗流孔板，渗流孔板的一侧设置有滤网，所述滤网的孔径小于土壤材料的颗粒粒径。