中心議題：

• 基於地源熱泵的便攜式岩土熱物性測試儀的研製與應用

解決方案：

• 知道地下岩土的熱物性參數
• 係統軟件采用彙編語言和C語言混合編程

• 采用參數估計結合非穩態傳熱模型的方法

diyuanrebengshoutongyuqitakongqitiaojiexitongxiangbiyoudiantuchu。youyudicengshenchuwenduchangnianweichibubian，yuanyuangaoyudongjideshiwaiwendu，eryoumingxiandiyuxiajideshiwaiwendu。yincidiyuanrebengkefulekongqiyuanrebengdejishuzhangai，qiexiaolvyouhendadetigao。lingwaitahaijuyouzaoyindi、占地麵積少、不排放汙染物

、不用抽取地下水、運行計維護費用低、壽命長等許多優點。

設計地源熱泵係統的地熱換熱器需要知道地下岩土的熱物性參數。如果熱物性參數不準確，則設計的係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que定ding地di下xia岩yan土tu熱re物wu性xing參can數shu的de傳chuan統tong方fang法fa是shi首shou先xian根gen據ju鑽zuan孔kong取qu出chu的de樣yang本ben確que定ding鑽zuan孔kong周zhou圍wei的de地di質zhi構gou成cheng，再zai通tong過guo查zha有you關guan手shou冊ce確que定ding導dao熱re係xi數shu。然ran而er地di下xia地di質zhi構gou成cheng複fu雜za，即ji使shi同tong一yi種zhong岩yan石shi成cheng分fen，其qi熱re物wu性xing參can數shu取qu值zhi範fan圍wei也ye比bi較jiao大da。況kuang且qie不bu同tong地di層ceng地di質zhi條tiao件jian下xia的de導dao熱re係xi數shu可ke相xiang差cha近jin十shi倍bei，導dao致zhi計ji算suan得de到dao的de埋mai管guan長chang度du也ye相xiang差cha數shu倍bei
，從cong而er使shi得de地di源yuan熱re泵beng係xi統tong的de造zao價jia會hui產chan生sheng相xiang當dang大da的de偏pian差cha。

另外，不同的封並材料、埋(mai)管(guan)方(fang)式(shi)對(dui)換(huan)熱(re)都(dou)有(you)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)隻(zhi)有(you)在(zai)現(xian)場(chang)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)才(cai)能(neng)正(zheng)確(que)得(de)到(dao)地(di)下(xia)岩(yan)土(tu)的(de)熱(re)物(wu)性(xing)參(can)數(shu)。但(dan)是(shi)由(you)於(yu)在(zai)以(yi)往(wang)的(de)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)中(zhong)很(hen)少(shao)涉(she)及(ji)這(zhe)樣(yang)的(de)問(wen)題(ti)，既(ji)缺(que)乏(fa)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)數(shu)據(ju)積(ji)累(lei)，也(ye)缺(que)乏(fa)現(xian)成(cheng)的(de)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)。

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岩土熱物性測試儀，並應用到實際工程中。

1測試儀的原理及構成

地下岩土的導熱係數等無法直接測量
，隻能通過測量溫度、reliudengxiangguancanshujinxingfantui。zaiyizuanhaodezuankongzhongmaishedaoguanbinganshejiyaoqiuhuitian，gaizuankongzhongdedaoguanjianglaikeyizuoweidirehuanreqideyigezhilushiyong

，huiluzhongchongmanshui，rangshuizaihuiluzhongxunhuanliudong，zimouyishikeqiduishuilianxujiarexiangdangchangdeshijian(數天)，並測量加熱功率
、回路中水的流量和水的溫度及其所對應的時間
，最後再根據已知的數據推算出鑽孔周圍岩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．結構麵匡如圖1所示。  
圖1中，由於泵的作用，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)。流體通過泵後，由電加熱器加熱

，加熱的流體溫度信號(T2)由傳感器采集，然後流體從B口流出，輸入到埋置於深層岩土中的導管內，導管內加熱的流體與深層岩上進行熱交換後
，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岩土的平均導熱係數，達到檢測目的。電流傳感器、電壓傳感器用於對加熱器的加熱功率進行實時測量
，以保證檢測精度。
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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變換後

，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，由軟件控製信號通道的轉換。

程序存儲器27C128和數據存儲器AT24C64用於存放部分工作程序和測試數據。而AT24C64存儲的測試數據在係統停電後不丟失。

MAX232作為串行通訊的專用芯片，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，它控製整個係統的工作
，內部的程序存儲器存放主要的工作程序和參數，而內部RAM作為係統的寄存器區、標誌區、打印及顯示緩衝區。

開kai關guan量liang的de輔fu出chu通tong過guo繼ji電dian器qi控kong製zhi加jia熱re器qi的de電dian源yuan，當dang某mou種zhong原yuan因yin導dao致zhi加jia熱re溫wen度du過guo高gao時shi則ze斷duan開kai加jia熱re器qi電dian源yuan，達da到dao保bao護hu設she備bei的de目mu的de。打da印yin機ji用yong於yu保bao存cun永yong久jiu數shu據ju。

1．2主機軟件

該係統軟件采用彙編語言和C語言混合編程

，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、顯示

、時鍾、通訊
、打印等組成。

2 測試結果

為wei了le計ji算suan周zhou圍wei岩yan土tu的de熱re物wu性xing參can數shu
，可ke采cai用yong參can數shu估gu計ji結jie合he非fei穩wen態tai傳chuan熱re模mo型xing的de方fang法fa。將jiang通tong過guo傳chuan熱re模mo型xing得de到dao的de結jie果guo與yu實shi際ji測ce量liang的de結jie果guo進jin行xing對dui比bi，使shi得de方fang差cha和hef=Σ(Tcal，i -Texp，i)2取得最小值時。調整後的熱物性參數數值即是所求的結果。其中
，Tcal，i為第I時刻由模型計算出的導管中流體的平均溫度

；Texp，i為第i時刻實際測量的導管中流體的平均溫度；N為實驗測量數據的組數。

以yi下xia是shi利li用yong岩yan土tu熱re物wu性xing測ce試shi儀yi及ji開kai發fa的de軟ruan件jian對dui山shan東dong建jian築zhu工gong程cheng學xue院yuan學xue術shu報bao告gao廳ting地di源yuan熱re泵beng空kong調tiao係xi統tong工gong程cheng現xian場chang的de地di下xia岩yan土tu熱re物wu性xing參can數shu進jin行xing測ce試shi的de測ce試shi結jie果guo
；

鑽孔孔徑115mm

，深度60m

，埋管內徑25mm

、外徑32mm，管間距70mm
，地下岩土初始溫度14．5℃管壁導熱係數0．33W／m℃，鑽孔回填材料導熱係數1．5W／m℃，加熱功率48W／m。
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測試時間對測試結果的影響如圖3所示。由圖3可以看出
，測試時間不同，計算出的鑽孔周圍地下岩土的平均導熱係數也不同。當測試時間達到約50小時後，測出的導熱係數趨於穩定

，維持在1．530～1．538 W／m℃的範圍之間。通常測試時間可以選取60小時左右
，這樣既可以保證獲得正確的導熱係數，又可以避免測試時間過長。
維持其它條件不變，隻改變導管上升管與下降管之間的間距，其對岩土導熱係數的影響見圖4。當管間距變化約為0．0lm時．計算出的導熱係數變化約為4～8%。由圖中可以看出，間距越大，計算出的導熱係數越小：這是由於間距越大

，鑽孔內的熱阻越小
，在總熱阻不變的情況下．周圍岩土的導熱熱阻大。即導熱係數小。因此如何確定管於間距是設計地源熱泵係統中值得認真探討的問題。
3 應用前景

多(duo)年(nian)來(lai)我(wo)國(guo)在(zai)熱(re)泵(beng)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)方(fang)麵(mian)一(yi)直(zhi)處(chu)於(yu)理(li)論(lun)探(tan)討(tao)階(jie)段(duan)，對(dui)地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)更(geng)缺(que)乏(fa)係(xi)統(tong)的(de)研(yan)究(jiu)。在(zai)供(gong)熱(re)空(kong)調(tiao)中(zhong)應(ying)用(yong)熱(re)泵(beng)技(ji)術(shu)的(de)主(zhu)要(yao)製(zhi)約(yue)因(yin)素(su)曾(zeng)經(jing)是(shi)電(dian)力(li)供(gong)應(ying)不(bu)足(zu)和(he)人(ren)民(min)群(qun)眾(zhong)消(xiao)費(fei)水(shui)平(ping)較(jiao)低(di)，熱(re)泵(beng)空(kong)調(tiao)係(xi)統(tong)的(de)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)尚(shang)未(wei)形(xing)成(cheng)。改(gai)革(ge)開(kai)放(fang)以(yi)來(lai)，隨(sui)著(zhe)我(wo)國(guo)經(jing)濟(ji)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)人(ren)民(min)生(sheng)活(huo)水(shui)平(ping)的(de)提(ti)高(gao)


，以(yi)上(shang)兩(liang)個(ge)製(zhi)約(yue)因(yin)素(su)已(yi)不(bu)複(fu)存(cun)在(zai)，空(kong)調(tiao)和(he)供(gong)熱(re)已(yi)成(cheng)為(wei)普(pu)通(tong)百(bai)姓(xing)的(de)需(xu)求(qiu)，而(er)地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)由(you)於(yu)其(qi)具(ju)有(you)技(ji)術(shu)上(shang)的(de)優(you)勢(shi)和(he)節(jie)能(neng)的(de)優(you)點(dian)，將(jiang)成(cheng)為(wei)供(gong)熱(re)和(he)空(kong)調(tiao)係(xi)統(tong)的(de)最(zui)佳(jia)選(xuan)擇(ze)方(fang)案(an)。研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)空(kong)調(tiao)係(xi)統(tong)並(bing)使(shi)之(zhi)產(chan)業(ye)化(hua)，有(you)可(ke)能(neng)成(cheng)為(wei)我(wo)國(guo)經(jing)濟(ji)發(fa)展(zhan)的(de)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)增(zeng)長(chang)點(dian)。