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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

發(fā)布時(shí)間:2012-01-10

中心議題:
  • 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
解決方案:
  • 知道地下巖土的熱物性參數(shù)
  • 系統(tǒng)軟件采用匯編語言和C語言混合編程
  • 采用參數(shù)估計(jì)結(jié)合非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的方法

地源熱泵手統(tǒng)與其它空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行計(jì)維護(hù)費(fèi)用低、壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jià)會(huì)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(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜式巖土熱物性測試儀,并應(yīng)用到實(shí)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(jì)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(gè)支路使用,回路中充滿水,讓水在回路中循環(huán)流動(dòng),自某一時(shí)刻起對水連續(xù)加熱相當(dāng)長的時(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)時(shí)測量,以保證檢測精度。
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1.1主機(jī)硬件

如圖2所示,主機(jī)由CPU AT89C52芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲(chǔ)器27C128、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64、鍵盤、LCD顯示器、開關(guān)量輸出、打印機(jī)、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(gè)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(chǔ)器27C128和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64用于存放部分工作程序和測試數(shù)據(jù)。而AT24C64存儲(chǔ)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(jī)傳輸測試數(shù)據(jù)。

AT89C52是具有內(nèi)部程亭存儲(chǔ)器的CPU,它控制整個(gè)系統(tǒng)的工作,內(nèi)部的程序存儲(chǔ)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(shí)則斷開加熱器電源,達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。打印機(jī)用于保存永久數(shù)據(jù)。

1.2主機(jī)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(shí)鐘、通訊、打印等組成。

2 測試結(jié)果

為了計(jì)算周圍巖土的熱物性參數(shù),可采用參數(shù)估計(jì)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(shí)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(shí)。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(shí)刻由模型計(jì)算出的導(dǎo)管中流體的平均溫度;Texp,i為第i時(shí)刻實(shí)際測量的導(dǎo)管中流體的平均溫度;N為實(shí)驗(yàn)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(bào)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。
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測試時(shí)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(shí)間不同,計(jì)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(shí)間達(dá)到約50小時(shí)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(shí)間可以選取60小時(shí)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(shí)間過長。

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0.0lm時(shí).計(jì)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(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)越?。哼@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。因此如何確定管于間距是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)中值得認(rèn)真探討的問題。

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(fèi)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(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,以上兩個(gè)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(diǎn),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(jì)發(fā)展的一個(gè)新的增長點(diǎn)。
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