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地源熱泵手統與其它空氣調節系統相比優(yōu)點(diǎn)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(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、運行計維護費用低、壽命長(cháng)等許多優(yōu)點(diǎn)。 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(guò)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?chē)牡刭|(zhì)構成，再通過(guò)查有關(guān)手冊確定導熱系數。然而地下地質(zhì)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(zhì)條件下的導熱系數可相差近十倍，導致計算得到的埋管長(cháng)度也相差數倍，從而使得地源熱泵系統的造價(jià)會(huì )產(chǎn)生相當大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式對換熱都有影響，因此只有在現場(chǎng)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(shí)踐中很少涉及這樣的問(wèn)題，既缺乏這方面的數據積累，也缺乏現成的測試方法。針對此間題，進(jìn)行了深入的研究，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的便攜式巖土熱物性測試儀，并應用到實(shí)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(wú)法直接測量，只能通過(guò)測量溫度、熱流等相關(guān)參數進(jìn)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(lái)可以作為地熱換熱器的一個(gè)支路使用，回路中充滿(mǎn)水，讓水在回路中循環(huán)流動(dòng)，自某一時(shí)刻起對水連續加熱相當長(cháng)的時(shí)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(shí)間，最后再根據已知的數據推算出鉆孔周?chē)鷰r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；管道和主機等緩威．結構面匡如圖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(guò)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上進(jìn)行熱交換后，又從A口返回到儀器內，形成封閉的循環(huán)。將在一定時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)測量，以保證檢測精度。 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27C128、數據存儲器AT24C64、鍵盤(pán)、LCD顯示器、開(kāi)關(guān)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(lái)的電流信號在進(jìn)行濾波和I／V變換后，由TLC2543進(jìn)行模／數轉換。TLC2543是具有11個(gè)通道的12位模／數轉換芯片，由軟件控制信號通道的轉換。 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(zhuān)用芯片，用作向上位機傳輸測試數據。 AT89C52是具有內部程亭存儲器的CPU，它控制整個(gè)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(kāi)關(guān)量的輔出通過(guò)繼電器控制加熱器的電源，當某種原因導致加熱溫度過(guò)高時(shí)則斷開(kāi)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(yǔ)言和C語(yǔ)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(pán)、顯示、時(shí)鐘、通訊、打印等組成。 2 測試結果 為了計算周?chē)鷰r土的熱物性參數，可采用參數估計結合非穩態(tài)傳熱模型的方法。將通過(guò)傳熱模型得到的結果與實(shí)際測量的結果進(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(shí)刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度；Texp，i為第i時(shí)刻實(shí)際測量的導管中流體的平均溫度；N為實(shí)驗測量數據的組數。 以下是利用巖土熱物性測試儀及開(kāi)發(fā)的軟件對山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報告廳地源熱泵空調系統工程現場(chǎng)的地下巖土熱物性參數進(jìn)行測試的測試結果； 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(shí)間對測試結果的影響如圖3所示。由圖3可以看出，測試時(shí)間不同，計算出的鉆孔周?chē)叵聨r土的平均導熱系數也不同。當測試時(shí)間達到約50小時(shí)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(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熱系數，又可以避免測試時(shí)間過(guò)長(cháng)。 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(jiàn)圖4。當管間距變化約為0．0lm時(shí)．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�。哼@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?chē)鷰r土的導熱熱阻大。即導熱系數小。因此如何確定管于間距是設計地源熱泵系統中值得認真探討的問(wèn)題。 3 應用前景 多年來(lái)我國在熱泵技術(shù)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(shù)的主要制約因素曾經(jīng)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(chǎng)需求尚未形成。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(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(shù)上的優(yōu)勢和節能的優(yōu)點(diǎn)，將成為供熱和空調系統的最佳選擇方案。研究開(kāi)發(fā)地源熱泵空調系統并使之產(chǎn)業(yè)化，有可能成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個(gè)新的增長(cháng)點(diǎn)。 |
