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基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的研制與應(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)計中所需要的很重要的參數(shù)。為了能夠現(xiàn)場測量地下巖土的熱物性參數(shù)，研制了便攜式測試儀器。該測試儀可現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)信號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試儀的檢測原理、結(jié)構(gòu)及檢測結(jié)果，并指出了該檢測儀的推廣應(yīng)用前景。地源熱泵手統(tǒng)與其它空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比優(yōu)點突出。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、運行計維護(hù)費用低、壽命長等許多優(yōu)點。
設(shè)計地源熱泵系統(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)計的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過大，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圍的地質(zhì)構(gòu)成，再通過查有關(guān)手冊確定導(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)致計算得到的埋管長度也相差數(shù)倍，從而使得地源熱泵系統(tǒng)的造價會產(chǎn)生相當(dāng)大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式對換熱都有影響，因此只有在現(xiàn)場直接測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踐中很少涉及這樣的問題，既缺乏這方面的數(shù)據(jù)積累，也缺乏現(xiàn)成的測試方法。針對此間題，進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的便攜式巖土熱物性測試儀，并應(yīng)用到實際工程中。
1 測試儀的原理及構(gòu)成
地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)等無法直接測量，只能通過測量溫度、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)計要求回填，該鉆孔中的導(dǎo)管將來可以作為地?zé)釗Q熱器的一個支路使用，回路中充滿水，讓水在回路中循環(huán)流動，自某一時刻起對水連續(xù)加熱相當(dāng)長的時間(數(shù)天)，并測量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應(yīng)的時間，最后再根據(jù)已知的數(shù)據(jù)推算出鉆孔周圍巖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，溫度傳感器采集溫度信號(T1)。流體通過泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號(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)。將在一定時間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數(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)到檢測目的。電流傳感器、電壓傳感器用于對加熱器的加熱功率進(jìn)行實時測量，以保證檢測精度。
1．1 主機硬件
如圖2所示，主機由CPU AT89C52芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲器27C128、數(shù)據(jù)存儲器AT24C64、鍵盤、LCD顯示器、開關(guān)量輸出、打印機、電源等構(gòu)成。各部分的主要功能敘述如下：
各路變送器傳來的電流信號在進(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個通道的12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，由軟件控制信號通道的轉(zhuǎn)換。
程序存儲器27C128和數(shù)據(jù)存儲器AT24C64用于存放部分工作程序和測試數(shù)據(jù)。而AT24C64存儲的測試數(shù)據(jù)在系統(tǒng)停電后不丟失。
MAX232作為串行通訊的專用芯片，用作向上位機傳輸測試數(shù)據(jù)。
AT89C52是具有內(nèi)部程亭存儲器的CPU，它控制整個系統(tǒng)的工作，內(nèi)部的程序存儲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)。
開關(guān)量的輔出通過繼電器控制加熱器的電源，當(dāng)某種原因?qū)е录訜釡囟冗^高時則斷開加熱器電源，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。打印機用于保存永久數(shù)據(jù)。
1．2 主機軟件
該系統(tǒng)軟件采用匯編語言和C語言混合編程，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、顯示、時鐘、通訊、打印等組成。
2 測試結(jié)果
為了計算周圍巖土的熱物性參數(shù)，可采用參數(shù)估計結(jié)合非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的方法。將通過傳熱模型得到的結(jié)果與實際測量的結(jié)果進(jìn)行對比，使得方差和f=Σ(Tcal，i -Texp，i)2取得最小值時。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時刻由模型計算出的導(dǎo)管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時刻實際測量的導(dǎo)管中流體的平均溫度；N為實驗測量數(shù)據(jù)的組數(shù)。
以下是利用巖土熱物性測試儀及開發(fā)的軟件對山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報告廳地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程現(xiàn)場的地下巖土熱物性參數(shù)進(jìn)行測試的測試結(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。
測試時間對測試結(jié)果的影響如圖3所示。由圖3可以看出，測試時間不同，計算出的鉆孔周圍地下巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)也不同。當(dāng)測試時
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