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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
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)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(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(jī)
地源熱泵手統(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、運行計維護(hù)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)。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(jìn)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(jìn)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(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)行實時測量，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
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