一种多功能地源热泵系统试验台的制作方法

1.本实用新型属于暖通空调技术领域，具体而言，本实用新型涉及一种多功能地源热泵系统试验台。


背景技术：

2.与传统供暖空调相比，地源热泵具有节能、高效等优点，在商业、住宅建筑中应用广泛。地源热泵系统运行效率较高的原因是将地下土壤作为冷热源，与空气相比，地下土壤温度夏季相对较低、冬季相对较高，并且波动较小。通常，地源热泵系统由热泵和地埋管换热器两大部分组成，按照埋管形式划分，地埋管换热器可分为水平埋管和竖直埋管两种。与水平埋管相比，竖直埋管应用更为广泛，这是由于竖直埋管效率更高，且占地较少。然而，制约竖直埋管广泛应用的一个重要因素是初始投资费用较高，其中，竖直埋管的钻井成本约占整个地源热泵系统初投资费用的一半以上。因而，当地表有足够空间时，水平埋管具有一定的优势。将水平埋管与竖直埋管混合使用可在系统效率与工程初投资之间找到一个平衡点，从而在保证系统运行效率的前提下降低工程初投资。此外，当建筑冷热负荷不平衡时，还可将水平埋管当作辅助散热设备，从而减少所需竖直埋管的长度、降低工程初投资。
3.由于地域、建筑功能等不同，地源热泵系统的冷热负荷通常不平衡。长时间连续运行会造成地下土壤温度的累积，进而导致地埋管换热效率以及整个地源热泵系统性能的降低。对于地埋管换热器，其长期高效运行的关键是保持岩土体取排热量的动态平衡。目前，工程上解决这一问题主要有以下几种方法：当冷热负荷不平衡现象较弱时，可采用间歇运行、管群结构调整、增加埋管间距、增加埋管长度等方法；当冷热负荷不平衡较为严重时，可采用增加辅助散热设备、利用冷却塔等装置进行跨季节蓄能、采用多功能地源热泵等方法。
4.目前，国内外研究学者针对解决地源热泵系统冷热负荷不平衡的问题提出了较多解决方法，但缺乏相关研究试验平台进行验证。在我国，国内研究院校、相关企业大都建设有多种地源热泵实验台，但是普遍存在埋管形式单一、结构形式简单、可试验工况少等不足，难以在同一物理工况下测试不同形式地埋管的换热特性、耦合传热规律，以及地埋管换热器与冷却塔、热泵机组、热舒适房间等终端联合运行性能等工况。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种多功能地源热泵系统试验台，其技术方案如下：
6.一种多功能地源热泵系统试验台，包括室外换热区、机组区、负荷区和检测控制装置；所述室外换热区包括地埋管换热器和电加热水箱，所述机组区包括多功能热泵机组，所述负荷区包括热舒适试验房间和配套换热送风装置；所述地埋管换热器、所述电加热水箱通过循环水管路串联连接，所述地埋管换热器用于为测试不同形式的地埋管换热特性和不同形式地埋管耦合换热规律提供条件；所述多功能热泵机组并联入所述地埋管换热器与所述电加热水箱之间的所述循环水管路中；所述配套换热送风装置安装在所述热舒适试验房
间内，并与所述多功能热泵机组相连，用于多种气流送风，所述热舒适试验房间用于研究全年多种气流送风方式对人体热舒适的影响；所述检测控制装置分别与所述地埋管换热器、所述电加热水箱、所述多功能热泵机组、所述热舒适试验房间、所述配套换热送风装置相连，用于控制检测各设备的运行状态及参数。
7.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述室外换热区还包括辅助散热热交换器和冷却塔；所述辅助散热热交换器包括用于进行彼此热交换的第一换热端和第二换热端；所述辅助散热热交换器的第一换热端并联在所述电加热水箱上，与所述地埋管换热器串联连接；所述辅助散热热交换器的第二换热端通过冷却管路与所述冷却塔串联连接。
8.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述地埋管换热器包括竖直地埋管、水平直埋管、水平螺旋埋管和桩埋管。
9.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述竖直地埋管、所述水平直埋管、所述水平螺旋埋管、所述桩埋管通过所述检测控制装置连接，以实现单独使用、串联使用和并联使用。
10.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述竖直地埋管包括双u形竖直地埋管和单u形竖直地埋管，所述双u形竖直地埋管和所述单u形竖直地埋管并联连接。
11.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述双u形竖直地埋管的埋管深度和所述单u形竖直地埋管的埋管深度均分别为100米、75米、50米、25米。
12.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述水平直埋管和所述水平螺旋埋管均为多个；多个所述水平直埋管的埋管深度、布置层数、相邻管间距不同。
13.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述桩埋管包括并联连接的螺旋形桩埋管和u形桩埋管。
14.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述检测控制装置包括多个温度传感器、多个阀门、多个流量计和多个水泵；所述温度传感器用于检测所述竖直地埋管、所述水平螺旋埋管、所述水平直埋管、所述桩埋管的不同埋深与距离处的土体温度，以及所述冷却管路中的水温、所述电加热水箱进出水水温；所述阀门用于控制所述竖直地埋管、所述水平螺旋埋管、所述水平直埋管、所述桩埋管的串并联使用状态；所述流量计用于测量所述竖直地埋管、所述水平螺旋埋管、所述水平直埋管、所述桩埋管、所述冷却塔、所述电加热水箱的水流量。
15.如上所述的多功能地缘热泵系统试验台，进一步优选为：所述水泵用于为所述循环水管路、所述冷却管路、所述机组区、所述负荷区的水流流动提供动力。
16.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述温度传感器分别设置于所述竖直地埋管埋藏深度的0％、25％、50％、75％、100％处。
17.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述多功能热泵机组包括依次串联连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器；所述冷凝器包括第一端和第二端；所述冷凝器的第一端串联在所述压缩机和所述膨胀阀之间，所述冷凝器的第二端串联在所述地埋管换热器和所述电加热水箱之间的所述循环水管路上。
18.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述机组区还包括生活
水制取装置，所述生活水制取装置包括制冷循环热交换器、热水箱和辅助电加热器；所述制冷循环热交换器包括彼此换热的第一交换端和第二交换端，所述制冷循环热交换器的第一交换端串联在所述压缩机和所述冷凝器之间，所述制冷循环热交换器的第二交换端与所述热水箱串联；所述辅助电加热器设置在所述热水箱内，用于加热。
19.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述配套换热送风装置的送风部件包括散流器、条缝型风口、置换通风口和地板送风口；所述散流器、所述条缝型风口、所述置换通风口、所述地板送风口各自独立运行或任意协同运行。
20.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：所述热舒适试验房间里设有舒适度检测系统，所述舒适度检测系统包括处理器和分别与所述处理器相连的存储装置、房间温度传感器、湿度传感器、风速传感器。
21.如上所述的多功能地源热泵系统试验台，进一步优选为：还包括自动控制系统，所述自动控制系统分别与所述室外换热区、所述机组区、所述负荷区相连，用于控制并记录多功能地源热泵系统试验台的运行。
22.分析可知，与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果在于：
23.在本实用新型中，地埋管换热器包括竖直地埋管、水平直埋管、水平螺旋埋管和桩埋管，四者可以单独使用、串联使用和并联使用，能够为测试不同形式的地埋管换热特性和不同形式地埋管耦合换热规律提供条件。冷却塔通过辅助散热热交换器参与循环水管路的热交换，并且在检测控制装置的控制下切换使用状态，负荷高峰时既可以辅助地埋管换热器换热，又可以在夏季或冬季向地下土壤蓄能以主动平衡土壤温度。多功能热泵机组既可向热舒适试验房间供冷，又可向热舒适试验房间供热。配套换热送风装置能够为热舒适试验房间进行多种气流送风，热舒适试验房间作为试验环境，可用于研究全年多种气流送风方式对人体热舒适的影响。自动控制系统分别与室外换热区、机组区、负荷区相连，可实现多功能地源热泵系统试验台的远程启停控制及运行画面流程显示，能够对温度、湿度、耗电量、制冷量、制热量、水温、水流量，以及不同埋管深度处土壤温度等进行测量、显示和记录。本实用新型的多功能地源热泵系统试验台功能丰富多样，可用于试验测试不同形式的地源热泵系统的埋管传热规律以及平衡土壤温度方法，为教学研究提供基础实验平台。
附图说明
24.图1为本实用新型的多功能地源热泵系统试验台的连接示意图。
25.图2为本实用新型的地埋管换热器示意图。
26.图3为本实用新型的地埋管换热器的连接示意图。
27.图中：1
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膨胀阀；2
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蒸发器；3
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配套换热送风装置；4
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热舒适试验房间；5
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热水箱；6
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辅助电加热器；7
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辅助散热热交换器；8
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冷却塔；9
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电加热水箱；10
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地埋管换热器；11
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水泵；12
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冷凝器；13
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压缩机；14
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制冷循环热交换器；15
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竖直地埋管；16
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水平螺旋埋管；17
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桩埋管；18
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水平直埋管；19
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主路；20
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第一阀门；21
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第二阀门；22
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第三阀门；23
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第四阀门；24
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第五阀门；25
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第六阀门；26
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第七阀门；27
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第八阀门；28
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第九阀门；29
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第十阀门；30
‑
第十一阀门。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。
30.请参考图1至图3，其中，图1为本实用新型的多功能地源热泵系统试验台的连接示意图；图2为本实用新型的地埋管换热器示意图；图3为本实用新型的地埋管换热器的连接示意图。
31.本实用新型提供了一种多功能地源热泵系统试验台，主要包括室外换热区(如图1所示，i表示的区域)、机组区(如图1所示，ⅱ表示的区域)、负荷区(如图1所示，ⅲ表示的区域)和检测控制装置。室外换热区包括地埋管换热器10和电加热水箱9；机组区包括多功能热泵机组；负荷区包括热舒适试验房间4和配套换热送风装置3。在管路连接时，地埋管换热器10、电加热水箱9通过循环水管路串联连接；多功能热泵机组并联入地埋管换热器10与电加热水箱9之间的循环水管路中(多功能热泵机组中的冷凝器12的第二端串联在地埋管换热器10和电加热水箱9之间的循环水管路上，冷凝器12的第一端串联在压缩机13和膨胀阀1之间，膨胀阀1、蒸发器2、压缩机13相当于并联在地埋管换热器10与电加热水箱9之间的循环水管路中)；配套换热送风装置3安装在热舒适试验房间4内，并与多功能热泵机组相连。同时，检测控制装置分别与地埋管换热器10、电加热水箱9、多功能热泵机组、热舒适试验房间4、配套换热送风装置3相连。
32.在本实用新型的多功能地源热泵系统试验台中，地埋管换热器10能够为测试不同形式的地埋管换热特性和不同形式地埋管耦合换热规律提供条件。在工作时，配套换热送风装置3能够为热舒适试验房间4进行多种气流送风，热舒适试验房间4作为试验环境，可用于研究全年多种气流送风方式对人体热舒适的影响。其中，在进行试验时，检测控制装置实时参与运作，能够控制检测各设备的运行状态及参数。本实用新型的多功能地源热泵系统试验台功能丰富多样，可用于试验测试不同形式的地源热泵系统的埋管传热规律以及平衡土壤温度方法，为教学研究提供基础实验平台。
33.在本实用新型中，检测控制装置包括多个温度传感器、多个阀门、多个流量计和多个水泵11。地埋管换热器10包括竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16和桩埋管17，可为试验不同形式地埋管的换热特性以及地源热泵系统在不同工况下的运行特性提供条件。在进行试验时，温度传感器用来检测竖直地埋管15、水平螺旋埋管16、水平直埋管18、桩埋管17的不同埋深与距离处的土体温度，以及冷却管路中的水温、电加热水箱9进出水水温，提供温度参数，作为优选，温度传感器分别设置于竖直地埋管15埋藏深度的0％、25％、50％、75％、100％处；阀门用来控制竖直地埋管15、水平螺旋埋管16、水平直埋管18、桩埋管
17的使用状态，从而进行多种不同形式的试验；流量计用来测量竖直地埋管15、水平螺旋埋管16、水平直埋管18、桩埋管17、冷却塔8、电加热水箱9的水流量，提供流量参数；水泵11作为水流的动力源，串联在室外换热区、机组区和负荷区的管路中，提供水流流通动力。竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16、桩埋管17通过检测控制装置的阀门实现连接，可以单独使用、串联使用和并联使用，为测试不同形式的地埋管换热特性提供试验条件。
34.具体的，如图3所示，控制竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16和桩埋管17的阀门包括第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22、第四阀门23、第五阀门24、第六阀门25、第七阀门26、第八阀门27、第九阀门28、第十阀门29、第十一阀门30，且其均处于默认关闭的状态，仅在需要时开启。第一阀门20、竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16和桩埋管17并联连接；第二阀门21安装在竖直地埋管15所在的支路上，位于竖直地埋管15的上游；第五阀门24安装在水平直埋管18所在的支路上，位于水平直埋管18的上游；第八阀门27安装在水平螺旋埋管16所在的支路上，位于水平螺旋埋管16的上游；第十一阀门30安装在桩埋管17所在的支路上，位于桩埋管17的上游；第三阀门22安装在竖直地埋管15与水平直埋管18之间的主路19上，位于水平直埋管18的下游；第六阀门25安装在水平直埋管18与水平螺旋埋管16之间的主路19上，位于水平螺旋埋管16的下游；第九阀门28安装在水平螺旋埋管16与桩埋管17之间的主路19上，位于桩埋管17的下游；第四阀门23一端连接在竖直地埋管15与第二阀门21之间，另一端连接在第三阀门22所在的主路19上，位于第三阀门22和水平直埋管18之间；第七阀门26一端连接在水平直埋管18与第五阀门24之间，另一端连接在第六阀门25所在的主路19上，位于第六阀门25和水平螺旋埋管16之间；第十阀门29一端连接在水平螺旋埋管16与第八阀门27之间，另一端连接在第九阀门28所在的主路19上，位于第九阀门28和桩埋管17之间。第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22、第四阀门23、第五阀门24、第六阀门25、第七阀门26、第八阀门27、第九阀门28、第十阀门29、第十一阀门30通过不同的开闭状态，可以实现竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16和桩埋管17的单独使用、串联使用和并联使用。例如：地埋管换热器10不工作时，第一阀门20开启；仅竖直地埋管15参与试验时，第二阀门21开启；仅水平直埋管18参与试验时，第五阀门24和第三阀门22开启；仅水平螺旋埋管16参与试验时，第八阀门27、第六阀门25和第三阀门22开启；仅桩埋管17参与试验时，第十一阀门30、第九阀门28、第六阀门25和第三阀门22开启。竖直地埋管15、水平直埋管18串联参与试验时，第五阀门24和第四阀门23开启；竖直地埋管15、水平直埋管18并联参与试验时，第二阀门21、第五阀门24和第三阀门22开启。
35.值得注意的是，在本实用新型中，第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22、第四阀门23、第五阀门24、第六阀门25、第七阀门26、第八阀门27、第九阀门28、第十阀门29、第十一阀门30均仅用于区别阀门的名称，并不代表阀门的先后顺序；竖直地埋管15、水平直埋管18、水平螺旋埋管16和桩埋管17在如图3所示中仅表示不同的埋管类型，而不代表连接的先后顺序；上游、下游是相对于水流流向而言，水流的来源为上游，去向为下游。
36.进一步细分，为了能够进行更为多样的试验，在本实用新型中，竖直地埋管15包括双u形竖直地埋管和单u形竖直地埋管，双u形竖直地埋管和单u形竖直地埋管并联连接。双u形竖直地埋管的埋管深度、单u形竖直地埋管的埋管深度均有多种参数，能够试验不同的埋管深度对换热特性的影响。具体的，双u形竖直地埋管的埋管深度和单u形竖直地埋管的埋管深度均分别为100米、75米、50米、25米。与此同时，水平直埋管18和水平螺旋埋管16均为
多个，多个水平直埋管18的埋管深度、布置层数、相邻管间距不同，桩埋管17包括并联连接的螺旋形桩埋管17和u形桩埋管17，能够为多种试验提供平台。
37.在本实用新型中，室外换热区还包括辅助散热热交换器7和冷却塔8。辅助散热热交换器7包括可彼此热交换的第一换热端和第二换热端，辅助散热热交换器7的第一换热端并联在电加热水箱9上(辅助散热热交换器7的第一换热端的一端通过管路连接在电加热水箱9一端的循环水管路上，第一换热端的另一端通过管路连接在电加热水箱9另一端的循环水管路上)，从而实现与电加热水箱9的并联连接、与地埋管换热器10的串联连接，同时，辅助散热热交换器7的第二换热端通过冷却管路与冷却塔8串联连接。冷却塔8通过辅助散热热交换器7参与循环水管路的热交换，并且在检测控制装置(阀门)的控制下切换使用状态，负荷高峰时既可以辅助地埋管换热器10换热，减少埋管设计长度，降低工程初投资，又可以在夏季或冬季向地下土壤蓄能以主动平衡土壤温度，可为研究不同形式地埋管的换热特性以及地源热泵系统地温全年热平衡等问题提供试验条件。
38.在本实用新型中，多功能热泵机组包括依次串联连接的压缩机13、冷凝器12、膨胀阀1和蒸发器2。其中，冷凝器12包括第一端和第二端；冷凝器12的第一端串联在压缩机13和膨胀阀1之间，冷凝器12的第二端串联在地埋管换热器10和电加热水箱9之间的循环水管路上。在试验时，多功能热泵机组既可向热舒适试验房间4供冷，又可向热舒适试验房间4供热。
39.进一步的，为了丰富试验功能并充分利用余热，降低向土壤中的排热量，在本实用新型中，机组区还包括生活水制取装置，生活水制取装置包括制冷循环热交换器14、热水箱5和辅助电加热器6。制冷循环热交换器14包括彼此换热的第一交换端和第二交换端，制冷循环热交换器14的第一交换端串联在压缩机13和冷凝器12之间，制冷循环热交换器14的第二交换端与热水箱串联。辅助电加热器6设置在热水箱5内。在试验时，可通过制冷循环热交换器14加热生活用水，当生活用水温度达不到实际使用需求时，可通过辅助电加热装器提高水温。
40.在本实用新型中，配套换热送风装置3设有多种送风方式，可用于研究全年多种气流送风方式对人体热舒适的影响。具体的，配套换热送风装置3的送风部件包含但不限于散流器、条缝型风口、置换通风口和地板送风口，散流器、条缝型风口、置换通风口、地板送风口各自独立运行或任意协同运行。
41.进一步的，为了便于获取舒适度参数，热舒适试验房间4里设有舒适度检测系统，舒适度检测系统包括处理器和分别与处理器相连的存储装置、房间温度传感器、湿度传感器、风速传感器。房间温度传感器能够检测热舒适试验房间4的温度参数；湿度传感器能够检测热舒适试验房间4的湿度参数；风速传感器能够检测热舒适试验房间4的风速参数。房间温度传感器、湿度传感器、风速传感器检测的信号由处理器处理后显示给试验人员并将数据存储于存储装置中。
42.在本实用新型中，多功能地源热泵系统试验台还包括自动控制系统，自动控制系统分别与室外换热区、机组区、负荷区相连，可实现多功能地源热泵系统试验台的远程启停控制及运行画面流程显示，能够对温度、湿度、耗电量、制冷量、制热量、水温、水流量，以及不同埋管深度处土壤温度等进行测量、显示和记录。
43.由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实
施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。