基于MCGS 的巖土熱物性測試系統(tǒng)

尹振江 王景剛

巖土體熱物性指巖土體熱物性參數(shù),是指不含回填料在內(nèi)的,地埋管深度范圍內(nèi)巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容等。測試方法一般有實(shí)驗(yàn)室法和現(xiàn)場測試法。相對而言,現(xiàn)場測試結(jié)果更接近實(shí)際情況[1]。

目前熱響應(yīng)測試法是確定巖土熱物性參數(shù)比較常用的測試方法,它于1983年由Mogensen提出[2],用來在現(xiàn)場確定地埋管換熱器周圍巖土的導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻。測試原理是通過傳熱介質(zhì)在土壤熱交換器中循環(huán),在給定的放熱量或取熱量條件下連續(xù)記錄流體的進(jìn)出口溫度,并根據(jù)溫度隨時間變化的規(guī)律推知土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻。該方法已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛用于地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的熱工性能測試之中[3]。原則上,熱響應(yīng)測試方法有兩種思路:1996年 Eklof和Gehlin[4],1998年Austin[5]提出的電加熱器法以及1999年Van Gederl等提出的可逆熱泵法,后者的優(yōu)越性在于可以同時測試放熱量和取熱量,得到的數(shù)據(jù)可以通過線源近似法進(jìn)行分析,或者通過數(shù)值參數(shù)估計同時計算土壤的多個熱力參數(shù),但所需的計算時間較長。

近年來,國內(nèi)許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)研制出了巖土熱物性測試裝置[6-11],強(qiáng)有力地推動了地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。我們也研發(fā)了一套基于MCGS巖土熱物性測試系統(tǒng)。

1 測試設(shè)備的基本原理

綜合傳熱系數(shù)指的是地埋管與巖土體之間單位溫差時單位孔深的換熱量,其計算公式為:

其中,Q為地源側(cè)的換熱量,W;K為地層綜合傳熱系數(shù)(地埋管每延米的換熱量),W/(m·℃);L為鉆孔深度,m;tf為埋管內(nèi)換熱介質(zhì)的平均溫度(取出入口溫度的平均值),℃;tg為土壤受擾動前的原始溫度,℃。

地源側(cè)換熱量不能直接測量,只能通過測量地埋管進(jìn)出口溫度、換熱介質(zhì)流量進(jìn)行反推。本系統(tǒng)采用恒熱流方法測試,恒熱流法是在保持電加熱功率P恒定的情況下,電加熱器加熱保溫水箱中的水,水泵驅(qū)動水流至地埋管中,通過地埋管與巖土換熱后又回到水箱中,直至換熱平衡,測得循環(huán)水流經(jīng)地埋管前后的溫度、流量,從而可以計算得到該測試孔內(nèi)地埋管地源側(cè)換熱量Q。

其中,Q為地源側(cè)換熱量,W;CP為比定壓熱容,J/(kg·℃);Q1為循環(huán)水流量,m3/s;tin為地埋管進(jìn)口溫度,℃;tout為地埋管出口溫度,℃。

當(dāng)加熱功率與地源側(cè)散熱功率相等(相近)時,然后利用已知條件反解傳熱模型可以求出地層導(dǎo)熱系數(shù)K。

2 現(xiàn)場測試設(shè)備介紹

根據(jù)上述原理,設(shè)計了巖土熱物性測試系統(tǒng)(如圖1所示)。

1)加熱系統(tǒng)。在保溫水箱中安裝了8組功率不等的電加熱器,可根據(jù)試驗(yàn)孔深度選擇開啟組數(shù),額定范圍為0.5 kW～13 kW。

2)循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括容積為0.2 m3的保溫水箱、管道、過濾器、閥門及水泵。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電氣控制柜和裝有MCGS組態(tài)軟件的PC機(jī)。

a.電氣控制系統(tǒng)。

DC24 V直流電源為檢測各種物理量的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等電子元件供電。電加熱器電流的測量由電流互感器,電流變送器與數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn),電流互感器額定電壓為0.5 kV,精度等級為 0.5;電流變送器輸入0 A～5 A電流,輸出0 mA～20 mA的直流信號,精度±0.5%。電壓測量由電壓變送器及數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn),電壓變送器輸入范圍為0 V～300 V,輸出0 mA～20 mA的直流信號。流量測量由電磁流量計及數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn),流量計采用FFM62智能電磁流量計,精度0.5級。數(shù)據(jù)采集模塊研華研制的4017A/D轉(zhuǎn)換模塊,ADAM-4017是一款16位8通道模擬輸入模塊,使用16位受微處理器控制sigma-delta A/D的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換傳感器的電壓或電流到數(shù)字信號以及RS-485數(shù)字通信功能。溫度測量采用PT100鉑電阻溫度傳感器,溫度采集的數(shù)據(jù)模塊使用DAM-7033,精確度:±0.2%。系統(tǒng)使用研華研制的ADAM-4520通訊模塊將信號由RS-485轉(zhuǎn)換為RS-232實(shí)現(xiàn)設(shè)備與計算機(jī)的通訊。

b.MCGS組態(tài)軟件。

MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成,兩部分既互相獨(dú)立,又緊密相關(guān)。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行,組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件,它幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境是一個獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng),它完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能,主要功能有實(shí)時監(jiān)測、趨勢曲線查詢、數(shù)據(jù)報表查詢與打印等。

3 現(xiàn)場測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 測試步驟

3.1.1 采集地下未擾動的地層原始溫度

1)地埋管內(nèi)注滿水后靜止1 d～2 d,管內(nèi)水溫與該處地層平均溫度基本一致;2)計算出測試段水體到達(dá)地源出口處溫度傳感器的時間(因接近地面的埋管水溫受環(huán)境溫度影響很大,應(yīng)采集離地面20 m以下的地埋管內(nèi)水溫);3)打開球閥,保證管路通暢;4)閉合斷路器Q9,啟動循環(huán)泵;5)在計算好的時間內(nèi)記錄下不少于3個時刻的地源出水溫度值;6)根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計算出平均值,此值即為地層原始溫度。

3.1.2 測試、采集數(shù)據(jù)

1)啟動循環(huán)泵;2)閉合需啟動的電加熱器開關(guān),根據(jù)實(shí)際孔深人工選擇輸入功率5 kW,閉合Q4和Q7,啟動電加熱器R14和R23;3)點(diǎn)擊測試界面上的【數(shù)據(jù)采集停止】鍵,顯示【數(shù)據(jù)采集啟動】表示測試開始;4)當(dāng)?shù)貙訐Q熱量和恒熱流輸入功率兩者在5%偏差內(nèi)時系統(tǒng)即可判穩(wěn),系統(tǒng)穩(wěn)定時“系統(tǒng)狀態(tài)”存儲為“1”,未穩(wěn)定時存儲為“0”;5)若系統(tǒng)穩(wěn)定保持60 min以上即可判定測試穩(wěn)定,點(diǎn)擊【數(shù)據(jù)采集啟動】,顯示【數(shù)據(jù)采集停止】結(jié)束測試。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析和計算

主要測試數(shù)據(jù)如下:地層原始溫度為17.6℃,地層在0 m～120 m內(nèi)土壤綜合換熱系數(shù)為:3.001 W/(m·℃)。

由圖2可以看出,雖然選擇電加熱器加熱功率為5 kW,但實(shí)際上由于電壓不穩(wěn)定電加熱功率在5 kW上下動態(tài)浮動。因此,建議以后測試時增加穩(wěn)壓器,以保證電加熱功率恒定。

由圖3可以看出,測試前十幾小時,地層綜合傳熱系數(shù)急劇下降,大約70 h以后地層綜合傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定,所以,建議測試時間在70 h以上。

由圖4可以看出,初期地埋管進(jìn)出口溫度增加幅度較大,測試開始10 h以后,地埋管進(jìn)出口溫度基本維持在一定溫度且保持5℃左右的溫差,說明所選埋管井換熱量好,具有代表性。

4 結(jié)語

本文根據(jù)傳熱學(xué)基本原理及地下埋管換熱器模型,研制了一套基于MCGS的巖土熱物性測試設(shè)備,測試了地埋管進(jìn)出口溫度以及循環(huán)水流量,計算出地層綜合傳熱系數(shù)等巖土熱物性參數(shù),比傳統(tǒng)測試手段得出的結(jié)果更準(zhǔn)確,更切合實(shí)際。所以,該設(shè)備具有極大的推廣與應(yīng)用價值。

[1] GB 50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] Mogensen P.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages[A].Proceedings of the International Conference on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice[C].Stockholm,1983:652-657.

[3] Austin W,Yavuzturk C,Spitler J D.Development of an insitu system for measuring ground thermal properties[J].ASHRAE Transactions,2000,106(1):365-379.

[4] Eklof C,Gehlin S.Mobile equipment for thermal response testing and evaluation[D].Lulea,Sweden:Lulea University of Technology,1996.

[5] AustinⅢ,Warren A.Development of an insitu system for measuring ground thermal properties[D].Stillwater,Oklahoma:Oklahoma State University,1998.

[6] 馬志同.淺層巖土熱物性參數(shù)測量儀的研制[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2006.

[7] 王書中,由世俊,張光平.熱響應(yīng)測試在土壤熱交換器設(shè)計中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報,2007,28(4):405-409.

[8] 李曉東,于明志,李雨桐.基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的研制與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2004,30(5):28-29.

[9] 王慶華,孫友宏,陳昌富,等.BTR-4000型地層熱物性原位測試儀及其應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2009,3(2):347-352.

[10] 周亞素.土壤導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場測試方法[J].東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,34(4):482-485.

[11] 于明志,方肇洪.現(xiàn)場測量深層巖土熱物性方法[J].工程熱物理學(xué)報,2002,23(3):354-356.