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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用
摘要：地下巖土的熱物性參數(shù)是地源熱泵地熱換熱器設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、結構及檢測結果，并指出了該檢測儀的推廣應用前景。地源熱泵手統(tǒng)與其它空氣調節(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，遠遠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、運行計維護費用低、壽命長等許多優(yōu)點。
設計地源熱泵系統(tǒng)的地熱換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)不準確，則設計的系統(tǒng)可能達不到負荷需要；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構成，再通過查有關手冊確定導熱系數(shù)。然而地下地質構成復雜，即使同一種巖石成分，其熱物性參數(shù)取值范圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系數(shù)可相差近十倍，導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)的造價會產生相當大的偏差。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，進行了深入的研究，開發(fā)出了具有自主知識產權的便攜式巖土熱物性測試儀，并應用到實際工程中。
1 測試儀的原理及構成
地下巖土的導熱系數(shù)等無法直接測量，只能通過測量溫度、熱流等相關參數(shù)進行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設導管并按設計要求回填，該鉆孔中的導管將來可以作為地熱換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；管道和主機等緩威．結構面匡如圖1所示。
圖1中，由于泵的作用，流體由A口進入，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管內，導管內加熱的流體與深層巖上進行熱交換后，又從A口返回到儀器內，形成封閉的循環(huán)。將在一定時間內連續(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熱系數(shù)，達到檢測目的。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、開關量輸出、打印機、電源等構成。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行濾波和I／V變換后，由TLC2543進行模／數(shù)轉換。TLC2543是具有11個通道的12位模／數(shù)轉換芯片，由軟件控制信號通道的轉換。
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是具有內部程亭存儲器的CPU，它控制整個系統(tǒng)的工作，內部的程序存儲器存放主要的工作程序和參數(shù)，而內部RAM作為系統(tǒng)的寄存器區(qū)、標志區(qū)、打印及顯示緩沖區(qū)。
開關量的輔出通過繼電器控制加熱器的電源，當某種原因導致加熱溫度過高時則斷開加熱器電源，達到保護設備的目的。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構。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)估計結合非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的方法。將通過傳熱模型得到的結果與實際測量的結果進行對比，使得方差和f=Σ(Tcal，i -Texp，i)2取得最小值時。調整后的熱物性參數(shù)數(shù)值即是所求的結果。其中，Tcal，i為第I時刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時刻實際測量的導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院學術報告廳地源熱泵空調系統(tǒng)工程現(xiàn)場的地下巖土熱物性參數(shù)進行測試的測試結果；
鉆孔孔徑115mm，深度60m，埋管內徑25mm、外徑32mm，管間距70mm，地下巖土初始溫度14．5℃管壁導熱系數(shù)0．33W／m℃，鉆孔回填材料導熱系數(shù)1．5W／m℃，加熱功率48W／m。
測試時間對測試結果的影響如圖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熱系數(shù)也不同。當測試時
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