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

地di源yuan熱re泵beng手shou統tong與yu其qi它ta空kong氣qi調tiao節jie係xi統tong相xiang比bi優you點dian突tu出chu。由you於yu地di層ceng深shen處chu溫wen度du常chang年nian維wei持chi不bu變bian，遠yuan遠yuan高gao於yu冬dong季ji的de室shi外wai溫wen度du，而er又you明ming顯xian低di於yu夏xia季ji的de室shi外wai溫wen度du。因yin此ci地di源yuan熱re泵beng克ke服fu了le空kong氣qi源yuan熱re泵beng的de技ji術shu障zhang礙ai，且qie效xiao率lv有you很hen大da的de提ti高gao。另ling外wai它ta還hai具ju有you噪zao音yin低di、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、maiguanfangshiduihuanredouyouyingxiang，yincizhiyouzaixianchangzhijieceliangcainengzhengquededaodixiayantuderewuxingcanshu。danshiyouyuzaiyiwangdegongchengshijianzhonghenshaoshejizheyangdewenti
，jiquefazhefangmiandeshujujilei
，yequefaxianchengdeceshifangfa。

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
、熱re流liu等deng相xiang關guan參can數shu進jin行xing反fan推tui。在zai已yi鑽zuan好hao的de鑽zuan孔kong中zhong埋mai設she導dao管guan並bing按an設she計ji要yao求qiu回hui填tian

，該gai鑽zuan孔kong中zhong的de導dao管guan將jiang來lai可ke以yi作zuo為wei地di熱re換huan熱re器qi的de一yi個ge支zhi路lu使shi用yong，回hui路lu中zhong充chong滿man水shui，讓rang水shui在zai回hui路lu中zhong循xun環huan流liu動dong
，自zi某mou一yi時shi刻ke起qi對dui水shui連lian續xu加jia熱re相xiang當dang長chang的de時shi間jian(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

weilejisuanzhouweiyantuderewuxingcanshu，kecaiyongcanshugujijiehefeiwentaichuanremoxingdefangfa。jiangtongguochuanremoxingdedaodejieguoyushijiceliangdejieguojinxingduibi，shidefangchahef=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。

yixiashiliyongyanturewuxingceshiyijikaifaderuanjianduishandongjianzhugongchengxueyuanxueshubaogaotingdiyuanrebengkongtiaoxitonggongchengxianchangdedixiayanturewuxingcanshujinxingceshideceshijieguo；

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)。