[發明專利]一種模擬真實地質情況的中深層地埋管砂箱實驗系統

在審

• 申請號: 202011552906.6
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112581844A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 羅勇強;許國治
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G09B23/40
• 分類號: G09B23/40
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于地埋管地源熱泵系統相關技術領域，并公開了一種模擬真實地質情況的中深層地埋管砂箱實驗系統。該實驗系統包括砂箱、地質分層營造組件、地熱梯度營造組件、地下水滲流營造組件和地埋管單元；地質分層營造組件用于模擬不同深度的土壤環境；地熱梯度營造組件用于模擬不同深度地質層不同的溫度；地下水滲流營造組件向砂箱中滲透水分模擬地質層存在滲水情況；地埋管單元的地埋管為同軸套管地埋管，測量該同軸套管地埋管入口和出口處的溫度差，獲知在地埋管在砂箱中的換熱情況。通過本發明，模擬地熱梯度、地下水滲流和地質分層三種因素的復合作用，營造出單一地質條件或多種地質條件，提供簡單便捷的實驗系統。

技術領域

本發明屬于地埋管地源熱泵系統相關技術領域，更具體地，涉及一種 模擬真實地質情況的中深層地埋管砂箱實驗系統。

背景技術

對于地埋管地源熱泵系統來說，最重要的是地埋管換熱器。現在己經 成熟的淺層地埋管換熱器技術通常鉆孔深度為100米左右，而在實際應用 中經常受到埋管用地不夠的制約，中深層地埋管換熱器是由此衍生出來的 地埋管換熱器的新變種，鉆孔深度可達2000米以上。在探索中深層埋管換 熱器的工程實踐中，由于管路強度和施工工藝的考慮，套管式成為主流的 埋管形式，而不是采用淺層地埋管常用的U型管。在考慮深孔埋管換熱器 的傳熱分析時就需要對原來的淺層地埋管的傳熱模型和設計計算方法做相 應的改進。一是深孔底部的溫度可以高達50-80℃，因此需要考慮地溫梯度 對地埋管傳熱的影響；二是不同深度地質層成分、密度、含水量、比熱容 不同，因此要考慮地質分層對地埋管傳熱的影響；三是中深層地源熱泵由 于鉆井深度較深，幾乎不可避免會遇到地下水滲流情況，因此要考慮滲流 對地埋管傳熱的影響。

中深層地埋管換熱器是地埋管地源熱泵系統的一種技術創新，具有占 地少和可利用地溫高的獨特優點，特別適合在寒冷地區應用；現有技術當 中少有中深層地源熱泵領域模擬真實地質狀況對地埋管換熱影響的實驗裝 置考慮了地熱梯度、地下水滲流、地質分層三種情況復合作用，一般為一 種或兩種情況作用，同時不便于進行對變量的精準控制，因此亟待研發一 種新型中深層地埋管砂箱實驗系統。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種模擬真實地 質情況的中深層地埋管砂箱實驗系統，通過設置地熱梯度營造組件、地下 水滲流營造組件和地質分層營造組件，分別模擬地熱梯度、地下水滲流和 地質分層三種因素的復合作用，精準的實現對地表地質環境的模擬，更加 貼合實際，提供一種簡單便捷的對中深層地埋管地質環境模擬的系統。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種模擬真實地質情況的中深 層地埋管砂箱實驗系統，其特征在于，該實驗系統包括砂箱、地質分層營 造組件、地熱梯度營造組件、地下水滲流營造組件和地埋管單元，其中：

所述砂箱中設置有填充材料，所述地質分層營造組件包括多個隔板， 用于將所述砂箱中的砂土分隔形成多個區域，每個區域內設置不同的填充 材料，以此模擬不同深度的地質層不同的土壤環境；

所述地熱梯度營造組件設置在所述砂箱的一側，用于從側面將熱量傳 導給所述砂箱，然后經過所述砂箱中逐個區域的熱傳導，使得所述砂箱中 各個區域內溫度不同，以此模擬不同深度地質層不同的溫度；

所述地下水滲流營造組件包括設置在所述砂箱上方的頂部水箱和下方 的底部水箱，所述頂部水箱的底部以及所述底部水箱的頂部均設置有均勻 分布的孔洞，所述頂部水箱通過所述孔洞向所述砂箱中的填充材料中滲透 水分，以此模擬地質層存在滲水的情況，所述底部水箱通過其頂部的孔洞 收集從所述填充材料滲出的水；

所述地埋管單元包括地埋管和與該地埋管連接的第一水循環單元，所 述地埋管埋在所述砂箱的砂土中央，該地埋管為同軸套管地埋管，所述第 一水循環單元的一端將水輸送進入所述同軸套管地埋管內管，水在該同軸 套管地埋管與地埋管外部的填充材料進行熱交換后從同軸套管地埋管的外 管流出；測量該同軸套管地埋管的入口和出口處水的溫度獲得溫度差，以 此獲知在地埋管在砂箱中的換熱情況。