一种测试能量桩换热性能的实验系统的制作方法

本实用新型涉及地源热泵测试领域，具体涉及一种测试能量桩换热性能的实验系统。

背景技术：

地源热泵系统因其节能环保的优势获得了广泛的应用，该系统由地埋管换热器、热泵机组和末端设备组成。传统的钻孔地埋管换热器因其初投资高及占用地面面积，成为制约地源热泵发展的不利因素。近几年，一种新颖的地埋管换热器被提出，即桩基埋管换热器，又称之为能量桩。建筑物由若干桩基支撑，桩基的深度通常在十几米至几十米之间，利用桩基进行地埋管换热器的制作，由于桩基的直径明显大于钻孔，故与钻孔埋设u型管的方式不同，可将螺旋换热管设置于桩基内部，充分利用桩基内部的空间，换热管通常可固定于钢筋笼上，从而构成了能量桩。能量桩的换热率，即沿深度方向平均每米桩基埋管的换热量要远高于钻孔埋管。利用能量桩技术可在夏季和冬季从地下分别实现散热和吸热，承担了空调系统的冷负荷和热负荷；由于桩基的数量有限，许多时候仅靠能量桩无法满足建筑物的制冷或供热需求，剩下的负荷可由钻孔埋管承担。能量桩的使用，降低了系统的初投资及减少了钻孔埋管的占地面积。

能量桩换热过程中，热量在循环液、换热管、桩内混凝土、桩表面以及周围地下介质之间传递。地源热泵系统制冷时，螺旋管内的循环液将热量释放给地下土壤介质，地源热泵系统供热时，螺旋管内的循环液自地下土壤介质吸热。相关专家和学者对能量桩传热性能的理论研究取得了一定成果，发明人发现，由于该技术还未得到大面积推广，工程项目较少，从实际测试数据体现能量桩传热性能的工作较少；目前，尚未有可行的实验系统既能在散热工况又能在吸热工况测试能量桩的传热性能。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种测试能量桩换热性能的实验系统，通过在桩基内设置换热管，换热管连通有循环水的流量及温度监测装置，而且在桩基周围设置温度监测装置，对桩基整体的换热性能进行检测，从而为实际的施工提供一定的数据基础。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种测试能量桩换热性能的实验系统，包括一个箱体和水循环系统，箱体内容纳有介质，所述介质用于埋设待测试的能量桩，所述介质中还布设有热敏元件，所述水循环系统用于与能量桩内部的螺旋换热管连通，所述水循环系统用于向螺旋换热管供给不同温度的循环水，所述水循环系统中设有流量计和温度计。

能量桩包括桩基和预设在桩基内部的螺旋换热管，通过能量桩内配置螺旋换热管模拟实际楼房桩基内的换热管，螺旋换热管连通流量计和温度计从而对循环水的流量和温度变化进行监控，并在能量桩附近设置热敏元件对介质的温度变化进行监控，从而达到获取换热性能的目的。

更进一步地，所述的介质为土壤。

该土壤可以选用需要实验地区的土壤，以避免不同地区土壤成分不同、散热性能差异引起的误差；所述的桩基内部浇灌有钢筋混凝土，所述的螺旋换热管固定在钢筋混凝土的钢筋笼上，所述的螺旋换热管为中空螺旋状。

更进一步地，所述热敏元件布置在桩基周围的介质中，用于检测桩基周围介质的温度变化情况。

更进一步地，所述流量计和温度计连通螺旋换热管，用于检测循环水的流量和温度变化情况。

更进一步地，所述的水循环系统包括冷水环路和热水环路，冷水环路和热水环路之间不发生热交换；冷水环路的进水口和出水口分别与螺旋换热管的两端连通，形成闭合回路，所述热水环路的进水口和出水口分别与螺旋换热管的两端连通，形成闭合回路，在同一时刻，冷水环路和热水环路仅有一个环路连通螺旋换热管。

更进一步地，所述冷水环路包括通过管道连接的制冷机、水泵、阀门、压力表，制冷机的入口连接一段管道形成冷水环路的进水口，连通循环换热管的出口，压力表的出口通过管道形成冷水环路的出水口，接入螺旋换热管的入口，形成冷水的闭合环路，所述冷水环路内还设有测取循环水流量的第一流量计和测取循环水温度的第一温度计。

更进一步地，所述热水环路包括通过管道连接的恒温水箱、水泵、阀门、压力表，恒温水箱的入口连接一段管道形成热水环路的进水口，连通循环换热管的出口，压力表的出口通过管道形成热水环路的出水口，接入螺旋换热管的入口，形成热水的闭合环路，所述热水环路内还设有测取循环水流量的第二流量计和测取循环水温度的第二温度计。

更进一步地，所述恒温水箱内设置有电加热器，用于加热恒温水箱内的循环水。

更进一步地，所述的热敏元件采用热电阻或热敏电阻。

本实用新型和现有技术相比，拥有以下有益技术效果：

(1)通过冷水环路和热水环路分别与螺旋换热管连接，从而将能量桩作为整体式的换热元件，循环水在土壤介质内吸收或放出热量后，通过流量计和温度计对其流量和换热前后的温度进行监控，得出能量桩一段时间的换热性能；

(2)通过测量能量桩周围的土壤温度变化，从而能够观察能量桩的换热效果；

(3)能够根据不同实验地区更换不同的土壤介质，从而使实验尽可能贴合实际施工的环境，进而得出更为准确的实验结果；

(4)采用两种环路共同接通同一个循环换热管，能够通过一个能量桩实现冷水环路和热水环路两种状态的实验，相较于处于单一状态的能量桩，更能贴合实际的施工布置；

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型的整体结构示意图；

附图标记：1、冷水机组，2、阀门，3、阀门，4、水泵，5、第一温度计，6、压力表，7、压力表，8、第三温度计，9、第一流量计，10、水泵，11、阀门，12、恒温热水箱，13、电加热器，14、阀门，15、第二流量计，16、第二温度计，17、压力表，18、压力表，19、第四温度计，20、阀门，21、阀门，22、阀门，23、阀门，24、箱体，25、热电阻，26、土壤介质，27、桩基，28、螺旋换热管，29、混凝土。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括””时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，由于能量桩地热源泵技术还未得到大面积推广，工程项目较少，从实际测试数据体现能量桩传热性能的工作较少；目前，尚未有可行的实验系统既能在散热工况又能在吸热工况测试能量桩的传热性能，涉及到在桩基外布置测试装置，操作难度较大；为了解决上述技术问题，本申请提出了一种测试能量桩换热性能的实验系统。

包括一个箱体，箱体内容纳有介质，所述介质内埋设有桩基，桩基内部布设有螺旋换热管，所述介质中还布设有热敏元件，所述螺旋换热管与介质外部的一个水循环系统连通，所述水循环系统用于向螺旋换热管供给不同温度的循环水，所述水循环系统中设置有流量计和温度计。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，箱体内布置有土壤介质，桩基内部填充有混凝土，水循环系统包括冷水环路和热水环路；

所述的冷水环路通过管道依次连接有压力表6、第一温度计5、水泵4、阀门3、冷水机组1、阀门2、第一流量计9、第三温度计8、压力表7，所述的冷水管路的进水口和出水口分别通过一个阀门接入循环换热管；此处的两个温度计结构完全相同，分别用于测取进入螺旋换热管的循环水温度和流出循环换热管的循环水温度。

所述的热水环路通过管道依次连接有压力表18、第四温度计19、水泵10、阀门11、恒温水箱12、阀门14、第二流量计15、第二温度计16、压力表17，所述的热水环路的进水口和出水口分别通过一个阀门接入循环换热管，所述恒温水箱内设置有电加热器13；此处的两个温度计结构完全相同，分别用于测取进入螺旋换热管的循环水温度和流出循环换热管的循环水温度

当冷水环路接入循环换热管时，采用风冷式冷水机组1制取冷水，模拟地源热泵系统在冬季供热时能量桩从地下土壤介质吸收热量的过程，循环水在冷水机组1中被冷却后进入桩基27中的螺旋换热管28进行吸热，此时热水环路的阀门20和阀门21关闭，阀门2、阀门3、阀门22和阀门23开启。循环液在水泵4的驱动下进入循环工作状态，由于其温度明显低于土壤介质26的温度，在其流经螺旋换热管28的过程中，吸收土壤介质26的热量，该热量首先以导热的方式从土壤介质传递给桩基27的外表面，然后通过混凝土29继续以导热的方式传递给螺旋换热管28，热量经过螺旋换热管外壁到内壁的导热后，最后以对流的方式传递给循环液。循环液的流量可用第一流量计9测得，能量桩中循环液的进口和出口温度分别用第三温度计8和第一温度计5测量，进口和出口压力分别用压力表7和压力表6测量；

当热水环路接入循环换热管时，恒温热水箱12被用来制取热水，模拟地源热泵系统在夏季制冷时能量桩散热给周围土壤介质26的过程，恒温热水箱12进出口的连接管路上设有阀门11和阀门14，循环水在恒温热水箱12中被加热后进入桩基27中的螺旋换热管28进行散热，此时冷水环路的阀门22和阀门23关闭，阀门11、阀门14、阀门20和阀门21开启。循环水在水泵10的驱动下进入循环工作状态，由于其温度明显高于土壤介质26的温度，在其流经螺旋换热管28的过程中，将热量散给土壤介质26，该热量先以对流的方式由循环水传递给螺旋换热管28的内壁，当热量由内壁传递给外壁后，再经过桩基27内的混凝土29以导热的方式传递给桩基27的外表面，最后以导热方式从桩基的外表面传递给土壤介质26。循环水的流量可用第二流量计15测得，能量桩中循环水的进口和出口温度分别用第二温度计16和第四温度计19测量，进口和出口压力分别用压力表17和18测量。

针对能量桩换热性能的定量计算，若能量桩的深度为h,循环水的流量为m，不论能量桩是散热还是吸热，能量桩中循环水的进出口温差为△t，则每米能量桩换热量q的计算公式为：

公式(1)中cp为循环水的比热，通常可取常数4.18kj/kg.℃。q可反映能量桩的换热能力。

实施例2

在本申请的另一种实施例中，给出另一种测试能量桩换热性能的实验系统。

根据所勘测区域的规划情况，选取对应模拟实验的几何尺寸的桩基27，同时螺旋换热管28的管径、间距、螺旋长度等几何参数也可以不断变化和调整，更能体现出本实验系统的效果；桩基27周围的介质可以采用所勘测区域的土壤介质26，从而在完成换热性能实验的同时，对所勘测区域的地源热效能实现了模拟和测试。

进一步的，所述热敏元件布置在桩基周围的介质中，用于检测桩基周围介质的温度变化情况，热敏元件优选为热电阻；

在箱体24内，桩基27周围的土壤介质26中，布置了热电阻25，以记录能量桩在散热或吸热状态时土壤介质26的温度变化。在散热工况和吸热工况切换时，要注意热电阻25所测试的温度值显示为土壤介质26的初始温度才可进行工况切换，即要等土壤介质26的温度要恢复到初始状态。

需要特别指出的是，通过配置热敏元件在桩基周围，实现间接测试能量桩的换热效果，从而相较于贴敷式的检测，能够不受桩基埋管尺寸的影响，方便的布置在土壤介质中，降低了布置难度；并且，热敏元件的布置在纵向的同时，在横向范围内也有布置，从而对土壤介质的温度恢复及热量传递过程进行了立体式的检测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。