基于地源热泵的岩土热物性测试仪的研制与应用

　　1　引言

　　地源热泵(Ground-source Heat Pump)技术,具有显著节能、环保、无噪音等特点,在供热空调中的应用日益受到视。

　　地源热泵都有一地热换热器,地下管路深埋设于岩土中,其可以水平布置或垂直布置。在采暖工作情况下,工质在管中流动提取岩土中的热量供热泵蒸发器使用,制冷工况下,工质将从热泵冷凝器中得到的热量带到地下传给岩土。地热换热器的设计是否合理,是决定埋管式地源热泵系统运行的可靠性和经济性的关键,因此,要采用和推广地源热泵首先就要对埋管中的流体与岩土之间的换热过程进行深入的研究。由传热学可知,换热器的换热量为

　　由上式看出,当换热器的尺寸及交换介质的温度给定时,对传热能力起决定作用的是导热系数λ值。因此岩土热物性对地热换热器的设计计算有重要影响。由于不同地层地质条件下的导热系数λ可相差近10倍,导致计算得到的埋管长度也相差数倍,从而在地源热泵系统的造价中也会产生相当大的偏差。在计算地源换热器的传热能力时,对于地下数十米乃至数百米地层的热物理性质,很难准确估计,加之不同的封井材料的影响,势要求实测。但是由于以往的工程实践中很少涉及这样的问题,因此既缺乏这方面数据的积累,也缺乏现成的测试方法,针对此问题,进行了深入的研究,开发出了具有自主知识产权的岩土热物性测试仪,并投入到工程实际中应用。

　　2　测试仪的检测原理

　　通过测量置于深层岩土中塑料管内被加热的循环体的温差、加热功率和流量值,推算出岩土的平均热物性参数。

　　该仪器由流量传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、泵、电加热器、管道和主机等组成,结构简图如图1所示。

　　由于泵的作用,流体由A口进入,流量传感器采集其量信号。温度传感器采集温度信号T1,流体通过泵后,由电加热器加热,加热的流体温度信号T2由传感器采集后,再从B口输入到埋置于深层岩土中的塑料管内,其塑料管内加热了的流体与深层土壤进行了热交换后,又从A口返回到仪器内,形成封闭的循环。在一段时间内连续采集到的加热功率、温度、流量信号经处理和分析计算后,即可推出岩土的平均热物性参数,达到检测目的。电流传感器、电压传感器用于对加热器的加热功率进行实时检测,以保证检测精度。

　　3　主机的硬、软件构成

　　如图2所示,主机由AT89C52芯片、TLC2543、MAX232、程序存储器27C128、数据存储器AT24C64、键盘、LCD显示器、开关量输出、打印机、电源等构成。其各部分的主要功能:

　　(1)各路变送器传来的电流信号,在进行滤波和I/V变换后,由TLC2543进行模糊转换。其TLC2543是具有11个通道的