??? 摘 要: 地下巖土的熱物性參數是地源熱泵地熱換熱器設計中所需要的很重要的參數。為了能夠現場測量地下巖土的熱物性參數,研制了便攜式測試儀器。該測試儀可現場采集數據,再利用參數估計方法便可確定地下巖土的熱物性參數。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。
??? 關鍵詞: 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" title="泵系統">泵系統與其它空氣調節系統相比優點突出。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、運行及維護費用低、壽命長等許多優點。
??? 設計地源熱泵系統的地熱換熱器需要知道地下巖土的熱物性參數。如果熱物性參數不準確,則設計的系統可能達不到負荷需要;也可能規模過大,從而加大初期投資。確定地下巖土熱物性參數的傳統方法是首先根據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" title="導熱系數">導熱系數。然而地下地質構成復雜,即使同一種巖石成分,其熱物性參數取值范圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系數可相差近十倍,導致計算得到的埋管長度也相差數倍,從而使得地源熱泵系統的造價會產生相當大的偏差。另外,不同的封井材料、埋管方式對換熱都有影響,因此只有在現場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數。但是由于在以往的工程實踐中很少涉及這樣的問題,既缺乏這方面的數據積累,也缺乏現成的測試方法。針對此問題,進行了深入的研究,開發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等無法直接測量,只能通過測量溫度、熱流等相關參數進行反推。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,讓水在回路中循環流動,自某一時刻起對水連續加熱相當長的時間(數天),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,最后再根據已知的數據推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數。
??? 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,結構簡圖如圖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管內,導管內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,形成封閉的循環。將在一定時間內連續采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數據,再利用參數估算法求出巖土的平均導熱系數,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。
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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、數據存儲器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/數轉換。TLC2543是具有11個通道的12位模/數轉換芯片,由軟件控制信號通道的轉換。
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??? 程序存儲器27C128和數據存儲器AT24C64用于存放部分工作程序和測試數據。而AT24C64存儲的測試數據在系統停電后不丟失。
??? MAX232作為串行通訊的專用芯片,用作向上位機傳輸測試數據。
??? AT89C52是具有內部程序存儲器的CPU,它控制整個系統的工作,內部的程序存儲器存放主要的工作程序和參數,而內部RAM作為系統的寄存器區、標志區、打印及顯示緩沖區。
??? 開關量的輸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據。
1.2 主機軟件
??? 該系統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據采集、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,可采用參數估計結合非穩態傳熱模型的方法。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
Texp,i)2取得最小值時,調整后的熱物性參數數值即是所求的結果。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為實驗測量數據的組數。
??? 以下是利用巖土熱物性測試儀及開發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工程現場的地下巖土熱物性參數進行測試的測試結果" title="測試結果">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0.33W/m℃,鉆孔回填材料導熱系數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也不同。當測試時間達到約50小時后,測出的導熱系數趨于穩定,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熱系數,又可以避免測試時間過長。
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??? 維持其它條件不變,只改變導管上升管與下降管之間的間距,其對巖土導熱系數的影響見圖4。當管間距變化約為0.01m時,計算出的導熱系數變化約為4～8%。由圖中可以看出,間距越大,計算出的導熱系數越小。這是由于間距越大,鉆孔內的熱阻越小,在總熱阻不變的情況下,周圍巖土的導熱熱阻大,即導熱系數小。因此如何確定管子間距是設計地源熱泵系統中值得認真探討的問題。
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3 應用前景
??? 多年來我國在熱泵技術的應用方面一直處于理論探討階段,對地源熱泵更缺乏系統的研究。在供熱空調中應用熱泵技術的主要制約因素曾經是電力供應不足和人民群眾消費水平較低,熱泵空調系統的市場需求尚未形成。改革開放以來,隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高,以上兩個制約因素已不復存在,空調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上的優勢和節能的優點,將成為供熱和空調系統的最佳選擇方案。研究開發地源熱泵空調系統并使之產業化,有可能成為我國經濟發展的一個新的增長點。
參考文獻
1 何立民.單片機應用系統設計. 北京:北京航空航天大學出版社,1990
2 李 華.MCS-51系列單片機實用接口技術.北京:北京航空航天大學出版社,1993
3 鄭祖義. 熱泵技術在空調中的應用.北京:機械工業出版社,1998