基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的研制與應用

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圍的地質構成，再通過查有關手冊確定導熱系數。然而地下地質構成復雜，即使同一種巖石成分，其熱物性參數取值范圍也比較大。況且不同地層地質條件下的導熱系數可相差近十倍，導致計算得到的埋管長度也相差數倍，從而使得地源熱泵系統的造價會產生相當大的偏差。

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踐中很少涉及這樣的問題，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，進行了深入的研究，開發出了具有自主知識產權的便攜式巖土熱物性測試儀，并應用到實際工程中。

1測試儀的原理及構成

地下巖土的導熱系數等無法直接測量，只能通過測量溫度、熱流等相關參數進行反推。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可以作為地熱換熱器的一個支路使用，回路中充滿水，讓水在回路中循環流動，自某一時刻起對水連續加熱相當長的時間(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間，最后再根據已知的數據推算出鉆孔周圍巖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管內，導管內加熱的流體與深層巖上進行熱交換后，又從A口返回到儀器內，形成封閉的循環。將在一定時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行實時測量，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、LCD顯示器、開關量輸出、打印機、電源等構成。各部分的主要功能敘述如下：

各路變送器傳來的電流信號在進行濾波和I／V變換后，由TLC2543進行模／數轉換。TLC2543是具有11個通道的12位模／數轉換芯片，由軟件控制信號通道的轉換。