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基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測(cè)試儀的研制與應(yīng)用
摘要：地下巖土的熱物性參數(shù)是地源熱泵地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)中所需要的很重要的參數(shù)。為了能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量地下巖土的熱物性參數(shù)，研制了便攜式測(cè)試儀器。該測(cè)試儀可現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)信號(hào)方法便可確定地下巖土的熱特性參數(shù)。概述了巖土熱物性測(cè)試儀的檢測(cè)原理、結(jié)構(gòu)及檢測(cè)結(jié)果，并指出了該檢測(cè)儀的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：地源熱泵 巖土熱物性 測(cè)試儀 單片機(jī)
地源熱泵手統(tǒng)與其它空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)突出。由于地層深處溫度常年維持不變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，而又明顯低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵克服了空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率有很大的提高。另外它還具有噪音低、占地面積少、不排放污染物、不用抽取地下水、運(yùn)行計(jì)維護(hù)費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)。
設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過(guò)大，從而加大初期投資。確定地下巖土熱物性參數(shù)的傳統(tǒng)方法是首先根據(jù)鉆孔取出的樣本確定鉆孔周?chē)牡刭|(zhì)構(gòu)成，再通過(guò)查有關(guān)手冊(cè)確定導(dǎo)熱系數(shù)。然而地下地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜，即使同一種巖石成分，其熱物性參數(shù)取值范圍也比較大。況且不同地層地質(zhì)條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可相差近十倍，導(dǎo)致計(jì)算得到的埋管長(zhǎng)度也相差數(shù)倍，從而使得地源熱泵系統(tǒng)的造價(jià)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式對(duì)換熱都有影響，因此只有在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。但是由于在以往的工程實(shí)踐中很少涉及這樣的問(wèn)題，既缺乏這方面的數(shù)據(jù)積累，也缺乏現(xiàn)成的測(cè)試方法。針對(duì)此間題，進(jìn)行了深入的研究，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜式巖土熱物性測(cè)試儀，并應(yīng)用到實(shí)際工程中。
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1 測(cè)試儀的原理及構(gòu)成
地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)等無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)測(cè)量溫度、熱流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)導(dǎo)管并按設(shè)計(jì)要求回填，該鉆孔中的導(dǎo)管將來(lái)可以作為地?zé)釗Q熱器的一個(gè)支路使用，回路中充滿(mǎn)水，讓水在回路中循環(huán)流動(dòng)，自某一時(shí)刻起對(duì)水連續(xù)加熱相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(數(shù)天)，并測(cè)量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，最后再根據(jù)已知的數(shù)據(jù)推算出鉆孔周?chē)鷰r土的平均熱物性參數(shù)。
本儀器由流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、泵、電加熱器；管道和主機(jī)等緩?fù)Y(jié)構(gòu)面匡如圖1所示。
圖1中，由于泵的作用，流體由A口進(jìn)入，流量傳感器采集流量信號(hào)，溫度傳感器采集溫度信號(hào)(T1)。流體通過(guò)泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號(hào)(T2)由傳感器采集，然后流體從B口流出，輸入到埋置于深層巖土中的導(dǎo)管內(nèi)，導(dǎo)管內(nèi)加熱的流體與深層巖上進(jìn)行熱交換后，又從A口返回到儀器內(nèi)，形成封閉的循環(huán)。將在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測(cè)量數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到檢測(cè)目的。電流傳感器、電壓傳感器用于對(duì)加熱器的加熱功率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以保證檢測(cè)精度。
1．1 主機(jī)硬件
如圖2所示，主機(jī)由CPU AT89C52芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲(chǔ)器27C128、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64、鍵盤(pán)、LCD顯示器、開(kāi)關(guān)量輸出、打印機(jī)、電源等構(gòu)成。各部分的主要功能敘述如下：
各路變送器傳來(lái)的電流信號(hào)在進(jìn)行濾波和I／V變換后，由TLC2543進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。TLC2543是具有11個(gè)通道的12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，由軟件控制信號(hào)通道的轉(zhuǎn)換。
程序存儲(chǔ)器27C128和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64用于存放部分工作程序和測(cè)試數(shù)據(jù)。而AT24C64存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)在系統(tǒng)停電后不丟失。
MAX232作為串行通訊的專(zhuān)用芯片，用作向上位機(jī)傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。
AT89C52是具有內(nèi)部程亭存儲(chǔ)器的CPU，它控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器存放主要的工作程序和參數(shù)，而內(nèi)部RAM作為系統(tǒng)的寄存器區(qū)、標(biāo)志區(qū)、打印及顯示緩沖區(qū)。
開(kāi)關(guān)量的輔出通過(guò)繼電器控制加熱器的電源，當(dāng)某種原因?qū)е录訜釡囟冗^(guò)高時(shí)則斷開(kāi)加熱器電源，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。打印機(jī)用于保存永久數(shù)據(jù)。
1．2 主機(jī)軟件
該系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程，采用功能模塊和子程序結(jié)構(gòu)。軟件的主要程序由數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)、顯示、時(shí)鐘、通訊、打印等組成。
2 測(cè)試結(jié)果
為了計(jì)算周?chē)鷰r土的熱物性參數(shù)，可采用參數(shù)估計(jì)結(jié)合非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的方法。將通過(guò)傳熱模型得到的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使得方差和f=Σ(T
cal，i -Texp，i)2取得最小值時(shí)。調(diào)整后的熱物性參數(shù)數(shù)值即是所求的結(jié)果。其中，Tcal，i為第I時(shí)刻由模型計(jì)算出的導(dǎo)管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時(shí)刻實(shí)際測(cè)量的導(dǎo)管中流體的平均溫度；N為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的組數(shù)。
以下是利用巖土熱物性測(cè)試儀及開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告廳地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)的地下巖土熱物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試結(jié)果；
鉆孔孔徑115mm，深度60m，埋管內(nèi)徑25mm、外徑32mm，管間距70mm，地下巖土初始溫度14．5℃管壁導(dǎo)熱系數(shù)0．33W／m℃，鉆孔回填材料導(dǎo)熱系數(shù)1．5W／m℃，加熱功率48W／m。
測(cè)試時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響如圖3所示。由圖3可以看出，測(cè)試時(shí)間不同，計(jì)算出的鉆孔周?chē)叵聨r土的平均導(dǎo)熱系數(shù)也不同。當(dāng)測(cè)試時(shí)間達(dá)到約50小時(shí)后，測(cè)出的導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，維持在1．530～1．538 W／m℃的范圍之間。通常測(cè)試時(shí)間可以選取60小時(shí)左右，這樣既可以保證獲得正確的導(dǎo)熱系數(shù)，又可以避免測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
維持其它條件不變，只改變導(dǎo)管上升管與下降管之間的間距，其對(duì)巖土導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖4。當(dāng)管間距變化約為0．0lm時(shí)．計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)變化約為4～8%。由圖中可以看出，間距越大，計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)越�。哼@是由于間距越大，鉆孔內(nèi)的熱阻越小，在總熱阻不變的情況下．周?chē)鷰r土的導(dǎo)熱熱阻大。即導(dǎo)熱系數(shù)小。因此如何確定管于間距是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)中值得認(rèn)真探討的問(wèn)題。
3 應(yīng)用前景
多年來(lái)我國(guó)在熱泵技術(shù)的應(yīng)用方面一直處于理論探討階段，對(duì)地源熱泵更缺乏系統(tǒng)的研究。在供熱空調(diào)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應(yīng)不足和人民群眾消費(fèi)水平較低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的市場(chǎng)需求尚未形成。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個(gè)制約因素已不復(fù)存在，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，而地源熱泵由于其具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，將成為供熱和空調(diào)系統(tǒng)的最佳選擇方案。研究開(kāi)發(fā)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)并使之產(chǎn)業(yè)化，有可能成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
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