基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制

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1、基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制摘要：地下岩土的热物性参数是地源热泵地热换热器设计中所需要的很重要的参数。为了能够现场测量地下岩土的热物性参数，研制了便携式测试仪器。该测试仪可现场采集数据，再利用参数信号方法便可确定地下岩土的热特性参数。概述了岩土热物性测试仪的检测原理、结构及检测结果，并指出了该检测仪的推广应用前景。地源热泵手统与其它空气调节系统相比优点突出。由于地层深处温度常年维持不变，远远高于冬季的室外温度，而又明显低于夏季的室外温度。因此地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，且效率有很大的提高。

2、另外它还具有噪音低、占地面积少、不排放污染物、不用抽取地下水、运行计维护费用低、寿命长等许多优点。设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要；也可能规模过大，从而加大初期投资。确定地下岩土热物性参数的传统方法是首先根据钻孔取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过查有关手册确定导热系数。然而地下地质构成复杂，即使同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而使得地

3、源热泵系统的造价会产生相当大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。但是由于在以往的工程实践中很少涉及这样的问题，既缺乏这方面的数据积累，也缺乏现成的测试方法。针对此间题，进行了深入的研究，开发出了具有自主知识产权的便携式岩土热物性测试仪，并应用到实际工程中。（转载自zAX232、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。各部分的主要功能叙述如下：各路变送器传来的电流信号在进行滤波和

4、I／V变换后，由TLC2543进行模／数转换。TLC2543是具有11个通道的12位模／数转换芯片，由软件控制信号通道的转换。程序存储器27C128和数据存储器AT24C64用于存放部分工作程序和测试数据。而AT24C64存储的测试数据在系统停电后不丢失。中国大学排名MAX232作为串行通讯的专用芯片，用作向上位机传输测试数据。AT89C52是具有内部程亭存储器的CPU，它控制整个系统的工作，内部的程序存储器存放主要的工作程序和参数，而内部RAM作为系统的寄存器区、标志区、打印及显示缓冲区。开关量的辅出通过继电

5、器控制加热器的电源，当某种原因导致加热温度过高时则断开加热器电源，达到保护设备的目的。打印机用于保存永久数据。1．2主机软件该系统软件采用汇编语言和C语言混合编程，采用功能模块和子程序结构。软件的主要程序由数据采集、键盘、显示、时钟、通讯、打印等组成。2测试结果为了计算周围岩土的热物性参数，可采用参数估计结合非稳态传热模型的方法。将通过传热模型得到的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和f=Σ(Tcal，i-Texp，i)2取得最小值时。调整后的热物性参数数值即是所求的结果。其中，Tcal，i为第I时刻由模型

6、计算出的导管中流体的平均温度；Texp，i为第i时刻实际测量的导管中流体的平均温度；N为实验测量数据的组数。以下是利用岩土热物性测试仪及开发的软件对山东建筑工程学院学术报告厅地源热泵空调系统工程现场的地下岩土热物性参数进行测试的测试结果；钻孔孔径115mm，深度60m，埋管内径25mm、外径32mm，管间距70mm，地下岩土初始温度14．5℃管壁导热系数0．33℃，钻孔回填材料导热系数1．5℃，加热功率48。测试时间对测试结果的影响如图3所示。由图3可以看出，测试时间不同，计算出的钻孔周围地下岩土的平均导热系数

7、也不同。当测试时