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

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(hào)，溫度傳感器采集溫度信號(hào)(T1)。流體通過泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號(hào)(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。

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(hào)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(hào)通道的轉(zhuǎn)換。