基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制与应用

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基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制与应用

摘要：地下岩土的热物性参数是地源热泵地热换热器设计中所需要的很重要的参数。为了能够现场测量地下岩土的热物性参数，研制了便携式测试仪器。该测试仪可现场采集数据，再利用参数信号方法便可确定地下岩土的热特性参数。概述了岩土热物性测试仪的检测原理、结构及检测结果，并指出了该检测仪的推广应用前景。    关键词：地源热泵 岩土热物性 测试仪 单片机
地源热泵手统与其它空气调节系统相比优点突出。由于地层深处温度常年维持不变，远远高于冬季的室外温度，而又明显低于夏季的室外温度。因此地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，且效率有很大的提高。另外它还具有噪音低、占地面积少、不排放污染物、不用抽取地下水、运行计维护费用低、寿命长等许多优点。
设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要；也可能规模过大，从而加大初期投资。确定地下岩土热物性参数的传统方法是首先根据钻孔取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过查有关手册确定导热系数。然而地下地质构成复杂，即使同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而使得地源热泵系统的造价会产生相当大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。但是由于在以往的工程实践中很少涉及这样的问题，既缺乏这方面的数据积累，也缺乏现成的测试方法。针对此间题，进行了深入的研究，开发出了具有自主知识产权的便携式岩土热物性测试仪，并应用到实际工程中。

1 测试仪的原理及构成
地下岩土的导热系数等无法直接测量，只能通过测量温度、热流等相关参数进行反推。在已钻好的钻孔中埋设导管并按设计要求回填，该钻孔中的导管将来可以作为地热换热器的一个支路使用，回路中充满水，让水在回路中循环流动，自某一时刻起对水连续加热相当长的时间(数天)，并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，最后再根据已知的数据推算出钻孔周围岩土的平均热物性参数。
本仪器由流量传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、泵、电加热器；管道和主机等缓威．结构面匡如图1所示。
图1中，由于泵的作用，流体由A口进入，流量传感器采集流量信号，温度传感器采集温度信号(T1)。流体通过泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号(T2)由传感器采集，然后流体从B口流出，输入到埋置于深层岩土中的导管内，导管内加热的流体与深层岩上进行热交换后，又从A口返回到仪器内，形成封闭的循环。将在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数，达到检测目的。电流传感器、电压传感器用于对加热器的加热功率进行实时测量，以保证检测精度。
1．1 主机硬件
如图2所示，主机由CPU AT89C52芯片、A/D转换芯片TLC2543、串行通讯芯片MAX232、程序存储器27C128、数据存储器AT24C64、键盘、LCD显示器、开关量输出、打印机、电源等构成。各部分的主要功能叙述如下：
各路变送器传来的电流信号在进行滤波和I／V变换后，由TLC2543进行模／数转换。TLC2543是具有11个通道的12位模／数转换芯片，由软件控制信号通道的转换。
程序存储器27C128和数据存储器AT24C64用于存放部分工作程序和测试数据。而AT24C64存储的测试数据在系统停电后不丢失。

    MAX232作为串行通讯的专用芯片，用作向上位机传输测试数据。
AT89C52是具有内部程亭存储器的CPU，它控制整个系统的工作，内部的程序存储器存放主要的工作程序和参数，而内部RAM作为系统的寄存器区、标志区、打印及显示缓冲区。
开关量的辅出通过继电器控制加热器的电源，当某种原因导致加热温度过高时则断开加热器电源，达到保护设备的目的。打印机用于保存永久数据。
1．2 主机软件
该系统软件采用汇编语言和C语言混合编程，采用功能模块和子程序结构。软件的主要程序由数据采集、键盘、显示、时钟、通讯、打印等组成。
2 测试结果
为了计算周围岩土的热物性参数，可采用参数估计结合非稳态传热模型的方法。将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和f=Σ(Tcal，i -Texp，i)2取得最小值时。调整后的热物性参数数值即是所求的结果。其中，Tcal，i为第I时刻由模型计算出的导管中流体的平均温度；Texp，i为第i时刻实际测量的导管中流体的平均温度；N为实验测量数据的组数。
以下是利用岩土热物性测试仪及开发的软件对山东建筑工程学院学术报告厅地源热泵空调系统工程现场的地下岩土热物性参数进行测试的测试结果；

    钻孔孔径115mm，深度60m，埋管内径25mm、外径32mm，管间距70mm，地下岩土初始温度14．5℃管壁导热系数0．33W／m℃，钻孔回填材料导热系数1．5W／m℃，加热功率48W／m。
测试时间对测试结果的影响如图3所示。由图3可以看出，测试时间不同，计算出的钻孔周围地下岩土的平均导热系数也不同。当测试时间达到约50小时后，测出的导热系数趋于稳定，维持在1．530～1．538 W／m℃的范围之间。通常测试时间可以选取60小时左右，这样既可以保证获得正确的导热系数，又可以避免测试时间过长。
维持其它条件不变，只改变导管上升管与下降管之间的间距，其对岩土导热系数的影响见图4。当管间距变化约为0．0lm时．计算出的导热系数变化约为4～8%。由图中可以看出，间距越大，计算出的导热系数越小：这是由于间距越大，钻孔内的热阻越小，在总热阻不变的情况下．周围岩土的导热热阻大。即导热系数小。因此如何确定管于间距是设计地源热泵系统中值得认真探讨的问题。
3 应用前景
多年来我国在热泵技术的应用方面一直处于理论探讨阶段，对地源热泵更缺乏系统的研究。在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低，热泵空调系统的市场需求尚未形成。改革开放以来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，而地源热泵由于其具有技术上的优势和节能的优点，将成为供热和空调系统的最佳选择方案。研究开发地源热泵空调系统并使之产业化，有可能成为我国经济发展的一个新的增长点。