一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，包括：模型箱，盛有多层介质，周围设有夹层，外部设有保温层；换热控制模块，利用地面测量单元和换热器单元，以模拟能源地下结构的真实运行情况；温度场控制模块，利用控温装置实现对夹层中水温控制；渗流控场制模块，利用布设的出水装置，模拟地下水渗流加载，利用安装在可调升降平台上的水箱产生不同的水头，实现不同的渗流速度加载，利用渗流层两侧设置的塑料渗透板，确保渗流场稳定；数据感测模块，采用分布式+点式组合的传感器布设方式，实现分层介质、结构壁面、换热管内不同位置温度感测。该系统可实现地质结构分层和含水层组渗流耦合的复杂地质条件下的试验功能。功能。功能。

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统


[0001]本专利技术涉及地质岩土工程
，更具体的说是涉及一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统。

技术介绍

[0002]目前，能源地下结构是实现地下空间与地热能协同开发的关键技术之一，相比于传统的钻孔埋管技术优势显著，特别适合我国建筑密集、人多地少、地下空间快速开发的现实国情。能源地下结构利用布设于地下空间内的构件提取浅层地热能为建筑制冷/供热，不但实现了地下空间与地热能资源的协同开发，而且不需要钻孔、不占用额外地下空间，可有效破解传统钻孔埋管技术的制约，具有显著的优越性。在“碳中和，碳达峰”与“协同开发”双需求牵引下，能源地下结构正朝着应用地质条件复杂多样、换热器形态灵活多变、系统稳定性动态可控的趋势快速演进。
[0003]能源地下结构周围岩土介质的热特性对其运行效率起到决定性作用，在真实地质条件下，地质结构往往呈现出显著的分层特性，同时部分地区还会出现含水层组渗流现象。建立可真实反映上述复杂地质条件的模型试验装置，进而分析传热机制与规律是对能源地下结构进行优化设计的基础。目前，多数模型试验系统将能源地下结构周围岩土体视为均匀介质，且无法模拟、分析地下水渗流的影响，更难以模拟地质结构分层和含水层组渗流耦合的真实地质条件，导致无法对能源地下结构系统进行准确地优化设计，从而不能保证其长期高效运行。
[0004]因此，如何实现能源地下结构的真实地质条件模拟和分析是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，是一种可模拟地质结构分层和含水层组渗流耦合复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，有助于阐明能源地下结构与周围分层渗流耦合岩土介质传热机制，揭示分层渗流耦合条件下能源地下结构内换热管中循环液温度分布规律，对能源地下结构换热系统优化设计有重要的理论价值与实际意义，可有效拓展该技术的应用推广范围。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，包括：
[0008]模型箱、能源地下结构换热控制模块、温度场控制模块、渗流场控制模块和数据感测模块；
[0009]所述能源地下结构换热控制模块，包括地面测量单元和换热器单元；所述地面测量单元和所述换热器单元连接；所述换热器单元设置在所述模型箱内；
[0010]所述渗流场控制模块与所述模型箱管路连接；
[0011]所述温度场控制模块与所述模型箱管路连接
[0012]所述数据感测单元布设在所述模型箱内。
[0013]优选的，所述模型箱底部设置有滤板，顶部可拆卸连接有盖板；箱体内填充有多层介质，所述多层介质分为上层、中层和下层，上层与中层、中层与下层之间设置有隔水板；箱体侧壁内设置有含水夹层；箱体外侧壁设置有保温层；模型箱的侧壁上设置有至少两组贯穿箱体、保温层和含水夹层的开口，所述开口位于所述多层介质的中层部分，箱体内部的开口端设置有塑料渗透板，箱体外部的开口端设置有固定部，所述固定部通过管路连接所述渗流模块；保温层为聚氨酯保温层；模型箱的箱体由不锈钢板焊接而成。
[0014]上述技术方案的技术效果为，顶部可拆卸，以便充填实验介质材料；内部盛有多层介质可模拟分层地质条；含水夹层为箱体四周设置的循环水中间夹层通道，用来实现模拟不同的地层温度边界条件；外部设有聚氨酯保温层，以有效减少实验装置和外部空气的热量交换损失。
[0015]优选的，所述地面测量单元，包括数据采集仪、控温装置、循环装置和测量装置；
[0016]控温装置包括PID温控器、保温水箱、制冷系统和加热器，所述制冷系统和所述加热器与所述保温水箱内的介质进行换热，PID温控器监测保温水箱内水温并电连接制冷系统和加热器，通过控制制冷系统或加热器工作调节保温水箱内介质温度，保温水箱进水口通过调节阀管路连接换热器单元；PID温控器总热功率为12kW；
[0017]循环装置采用循环水泵，额定流量4m3/h，扬程25m，一路管路连接保温水箱出水口，另一路通过调节阀管路连接换热器单元；
[0018]测量装置包括依次设置在循环装置与换热器单元连接管路上的流量计、水温传感器和压力表，以及保温水箱进水口与换热器单元连接管路上依次设置的水温传感器和压力表；流量计采用涡流流量计；
[0019]所述数据采集仪连接涡流流量计、水温传感器和压力表。
[0020]上述技术方案的技术效果为，调节阀为手动调节阀，通过观察数据采集仪采集数据手动控制调节阀开启或关闭，从而控制保温水箱中的介质在换热器单元中循环，实现模拟能源地下结构地源侧冷、热负荷，实现工作流体温度的调节和控制。
[0021]优选的，所述换热器单元，采用聚乙烯换热管预制于混凝土结构内，布设在箱体中部，换热管包括换热管进水管和换热管出水管，所述换热管进水管依次管路连接循环水泵，换热管出水管与保温水箱进水口连接，在与保温水箱进水口连接管道上依次设置有压力表、水温传感器和调节阀。
[0022]上述技术方案的技术效果为，通过与地面地面测量单元管路连接，实现换热管的换热循环。
[0023]优选的，温度场控制模块的温控范围为
‑
10℃～80℃，精度
±
0.1℃，利用控温设备实现对含水夹层中的水温控制，使得模型试验所处的温度场可控；所述温度场控制模块与模型箱的含水夹层连接的管道上设置有水温传感器、涡流流量计和调节阀；所述水温传感器和涡流流量计电连接所述控温设备，监测所述含水夹层内水温和流量，并通过所述调节阀控制流过控温设备的流量。
[0024]上述技术方案的技术效果为，通过温度场控制模块实现对含水夹层的水温控制，保证模型箱的环境温度稳定。
[0025]优选的，渗流场控制模块包括渗流水箱、储水箱、可调升降平台、出水装置、水泵、
调节阀和涡流流量计；所述渗流水箱设置在所述可调升降平台上，所述渗流水箱通过一路管路连接所述水泵，管路上设置所述涡流流量计和所述调节阀，通过另一路管路连接所述开口，管路上设置有所述涡流流量计和所述调节阀；所述水泵通过管路连接所述储水箱，所述储水箱管路连接另一组所述开口，与所述开口的连接管路上设置有所述涡流流量计和所述调节阀。
[0026]上述技术方案的技术效果为，渗流场控制模块可模拟地下渗水，其中，塑料渗透板确保渗流场稳定；可调升降平台上通过产生不同的水头，实现不同的渗流速度加载；通过调节阀和流量计，可调节渗流速度；两组开口设置在箱体相对的两侧壁上，储水箱高度低于渗流水箱高度，通过调节可升降平台的高度调整渗流水箱的渗流水头，水流通过渗流水箱、含水夹层和储水箱形成循环水路；渗流水箱和储水箱连接开口的管路可设置于含水夹层内，为开口供水同时连通含水夹层。
[0027]优选的，数据感测模块，包括采集器、解调器，以及布设在多层介质中每层介质中部和层间界面、换热器单元的混凝土结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，其特征在于，包括：模型箱、能源地下结构换热控制模块、温度场控制模块、渗流场控制模块和数据感测模块；所述能源地下结构换热控制模块，包括地面测量单元和换热器单元；所述地面测量单元和所述换热器单元连接；所述换热器单元设置在所述模型箱内；所述渗流场控制模块与所述模型箱管路连接；所述温度场控制模块与所述模型箱管路连接；所述数据感测单元布设在所述模型箱内。2.根据权利要求1所述的一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，其特征在于，所述模型箱底部设置有滤板，顶部可拆卸连接有盖板；箱体内填充有多层介质，所述多层介质分为上层、中层和下层，上层与中层、中层与下层之间设置有隔水板；箱体侧壁内设置有含水夹层；箱体外侧壁设置有保温层；模型箱的侧壁上设置有至少两组贯穿箱体、保温层和含水夹层的开口，所述开口位于所述多层介质的中层部分，箱体内部的开口端设置有塑料渗透板，箱体外部的开口端设置有固定部，所述固定部通过管路连接所述渗流模块。3.根据权利要求1所述的一种可模拟复杂地质条件的能源地下结构模型试验系统，其特征在于，所述地面测量单元包括数据采集仪、控温装置、循环装置和测量装置；控温装置包括PID温控器、保温水箱、制冷系统和加热器，所述制冷系统和所述加热器与所述保温水箱内的介质进行换热，PID温控器监测保温水箱内水温并电连接制冷系统和加热器，通过控制制冷系统或加热器工作调节保温水箱内介质温度，保温水箱进水口通过调节阀管路连接换热器单元；循环装置采用循环水泵，一路管路连接保温水箱出水口，另一路通过调节阀管路连接换热器单元；测量装置包括依次设置在循环水泵与换热器单元连接管路上的流量计、水温传感器和压力表，以及保温水箱进水口与换热器单元连接管路上依次设置的水温传感器和压力表；所述数据采集仪连接流量计、水温传感器和压...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鹏，李晓昭，张东海，凌云志，季雨坤，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：