??? 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)估計方法便可確定地下巖土的熱物性參數(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,。
??? 關(guān)鍵詞: 地源熱泵? 巖土熱物性? 測試儀? 單片機
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??? 地源熱泵系統(tǒng)" title="泵系統(tǒng)">泵系統(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,、運行及維護費用低,、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)" title="導(dǎo)熱系數(shù)">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,不同的封井材料,、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,。針對此問題,進行了深入的研究,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,、管道和主機等組成,結(jié)構(gòu)簡圖如圖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(dǎo)管內(nèi),導(dǎo)管內(nèi)加熱的流體與深層巖土進行熱交換后,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行實時測量,以保證檢測精度。
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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" title="程序存儲器">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行濾波和I/V變換后,由TLC2543進行模/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。
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??? 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)部程序存儲器的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)量的輸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)果進行對比,使得方差和
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)進行測試的測試結(jié)果" title="測試結(jié)果">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" title="測試時間">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)測試時間達(dá)到約50小時后,測出的導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定,維持在 1.530～1.538 W/m℃的范圍之間,。通常測試時間可以選取60小時左右,這樣既可以保證獲得正確的導(dǎo)熱系數(shù),又可以避免測試時間過長。
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??? 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,其對巖土導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖4,。當(dāng)管間距變化約為0.01m時,計算出的導(dǎo)熱系數(shù)變化約為4～8%,。由圖中可以看出,間距越大,計算出的導(dǎo)熱系數(shù)越小。這是由于間距越大,鉆孔內(nèi)的熱阻越小,在總熱阻不變的情況下,周圍巖土的導(dǎo)熱熱阻大,即導(dǎo)熱系數(shù)小,。因此如何確定管子間距是設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)中值得認(rèn)真探討的問題,。
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3 應(yīng)用前景
??? 多年來我國在熱泵技術(shù)的應(yīng)用方面一直處于理論探討階段,對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水平較低,熱泵空調(diào)系統(tǒng)的市場需求尚未形成,。改革開放以來,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,以上兩個制約因素已不復(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)勢和節(jié)能的優(yōu)點,將成為供熱和空調(diào)系統(tǒng)的最佳選擇方案,。研究開發(fā)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)并使之產(chǎn)業(yè)化,有可能成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個新的增長點。
參考文獻
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2 李 華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993
3 鄭祖義. 熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社,1998