恒功率巖土熱物性現場測試精度改善方法

趙新卓

摘 要：為了在現場熱物性測試中得到吸熱與排熱模式下的巖土體綜合熱導率參數，便于研究巖土體在不同溫度下的熱導率變化特征，利用專用的雙工況測試裝置，對測試儀的功率輸出進行三級調控，通過檢測某一級輸出的溫度等參數，并將其傳送給下一級，實現開環控制，以減少由于熱慣性引起的波動。對環境因素引起的變化進行定量補償，達到吸熱、放熱恒功率測試時較高的控制精度。

關鍵詞：巖土熱物性測試；誤差分析；三級控制；精度改善

中圖分類號：TE132 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0063-02

1測試原理及誤差分析

一般物質材料的熱導率在常溫下為常數，隨溫度變化熱導率有微小的變化，這種隨溫度依附關系在一定溫度范圍內可用近似線性關系表達[1]。由于地下巖土體的物質成分復雜多樣，各種不同類別的巖土體在不同溫度下的熱導率隨溫度的依附關系并不完全相同。在巖土體孔隙比較大、富含大量水分時，水體粘度隨溫度變化而變化，使不同溫差下的巖土體傳熱變化更加顯著。根據實驗測試[2]，冬夏不同工況測得的巖土體導熱系數變化可達15%。

實驗室內對巖土樣本可以進行不同溫度下的熱導率測試，給綜合研究和工程設計提供參考。在淺層地溫能評價和地源熱泵地埋管換熱器工程設計中，由于地層巖土體的復雜性，必須進行現場熱物性測試，得到巖土體綜合熱導率等參數。

目前在巖土熱物性的現場測試中，有兩種方法：“恒熱流法”、“恒溫法”[3]。《地源熱泵系統工程技術規范 GB50366-2005》（2009 年版）[4]新增了附錄中巖土熱物性試驗部分內容，明確了地源熱泵系統的巖土熱物性試驗相關要求，推薦 “恒熱流法”作為試驗實施方法，并未對試驗的吸熱與排熱做出規定，目前，巖土熱物性試驗采用該方法進行排熱測試較多[5]。

在“恒熱流法”中，制熱的恒功率電控模式容易實現；制冷工況時則相對困難，由于制冷機組結構特性，輸入輸出變化反饋緩慢，調節時間滯后，不易做到精確控制，一般測試儀器均在冬季工況時采用恒溫模式進行吸熱能力測試，得到鉆孔單位延米的傳熱量數據，而不進行巖土熱物性參數求取[6]。

專利號CN201310273535[7]采用變頻輔助調節方式進行吸熱恒熱流測試，仍存在一定周期性的波動，達不到研究冬夏差別的精度要求。

對測試結果精度產生的影響有兩種溫度波動：短周期波動與長周期波動。測試介質流體一般為水，其比熱容大，熱慣性較高，并且流經管道存在一定時間，溫度傳感器等熱敏元件對短時間突然變化的溫度會有一定的延遲反應，使某一時刻測得的溫度數值可能與執行元件處的溫度變化趨勢不同，從而使溫度波動變大。由于實際測試中在不同流量、不同溫度時有不同的傳熱特征，采用PID比例積分方式也不能很好的消除波動。雖然短周期波動的數據經過平滑處理后有消除波動的明顯改善，但其波動周期與測試溫度數據采樣周期重合或存在倍數關系時，會在較長時間的數據中產生偏離誤差。

對熱導率求解的另一影響因素為長周期波動，主要為環境影響，如天氣溫度的周期性變化。由于測試系統實際上不能完全絕熱，在外部環境和系統之間，存在一小部分能量傳遞。完整的測試時間一般為2-3d，特別是在測試后期進回水溫度變化很小，出現周期24h的波動。如果在測試末期的12h產生0.1℃偏差，一般會使熱導率計算數值產生1.5%-2%的誤差。

2 測試精度改善措施

為了提高在冬夏雙工況下的測量精度，減少測試功率輸出波動，避免氣溫變化的干擾，利用冬夏雙工況同樣精度的恒功率現場巖土熱物性測試裝置與三級逐步控制等方法，實現較高精度和穩定程度的冷熱功率輸出，從而達到研究不同溫度下綜合導熱系數變化規律的目的。

2.1 測試裝置組成

測試裝置包括：進回水管路、風冷變頻制冷機組、加熱器、2個安裝在進回水口的高精度溫度傳感器T1與T3、1個加熱器之前的高精度溫度傳感器T2、1個安裝在測試裝置外殼處的環境溫度傳感器T4、流體流量計、水泵、3個三通換向球閥、2個Y型過濾器、PLC控制系統、執行單元、數據采集單元及輸入輸出單元等。結構原理見圖1。

風冷變頻制冷機組為測試裝置提供冷源，通過改變頻率調整輸出功率，使之超出測試裝置輸出功率一定范圍。制冷機組置于獨立的殼體內，通過柔性管道與其他管路連接。隨測試工況不同，可以調整測試系統與制冷機的聯通情況，通過三通轉換開關S3與球閥開關D1實現水路循環的改變。

利用測試數據求解參數時，測試裝置進回水溫差正比于輸入地下的測試功率，也正比于綜合地層熱導率。在一種工況測試過程中，當兩個進回水溫度傳感器輸出存在相互偏離或接近的誤差時，在另一工況測試時誤差數據就會相反地接近或偏離，加大了吸熱與排熱工況測試得出的地層熱導率差別。所以在測試裝置進回水溫度傳感器T1、T3與進出水管路之間設置三通轉換開關S1與S2，使可能產生的系統誤差予以抵消。

2.2 三級控制方法

通過檢測某一級輸出的溫度參數，傳送給下一級，實現開環控制，以減少由于熱慣性引起的波動加大。對環境因素引起的變化定量補償，提高同種技術條件下對吸熱、放熱恒功率測試的精度。三級控制流程見圖2。

第一級控制為變頻壓縮機輸出功率的調節，利用測試儀進口溫度和壓縮機水流出口溫度的差值、流量、預先設定的測試功率，計算需要的頻率，再增加一部分調節余量，傳送給變頻器執行。由于風冷壓縮機輸出功率相對各種工況變化反應時間較長，所以設置的控制時間步長可以適當加大，以盡可能使輸出功率的曲線平滑，減少波動。選擇合適的調節余量系數，可以減少測試中的測試裝置自身的功率。

冬季吸熱測試工況時，第一級調控的數據來源于制冷機的變工況特征、環境溫度、額定功率及功率調節系數，調節步長取5-10分鐘，計算式為：endprint

f-需調節的制冷機頻率；Pf-設定的測試功率；K1-功率調節的富裕系數，一般取1.2-1.3；K2-制冷機的變工況特征系數，一般取-0.01—-0.015；K3-制冷機的變工況特征系數，一般取1.1-1.3；Pc-制冷機的額定輸出功率；fc-制冷冷機的額定頻率；T4-環境溫度。

第二級，控制器給出設定功率與制冷壓縮機輸出功率的差值，使可控硅調功器執行輸出，通過功率傳感器，反饋實際功率數值進行調控。鑒于一級調控輸出已較平穩，變化緩慢，所以二級調控步長可以適當變小。由于是對一級輸出的另外控制，功率傳感器只是對調功器輸出的監測，也可稱為開環調控方式。

第二級調控數據來源于通過T1、T2測得的制冷機輸出功率，計算式為：

Pe=（T2-T1）·Q·？籽c-Pf

Pe-加熱器需要的調節功率；T1-測試裝置進水溫度；T2-制冷機與加熱器之間的溫度；Q-流體流量；ρc-水的體積熱容。

第三級，氣溫變化會使溫度測試曲線產生長周期的波動，如果對測試儀進出口的水溫進行反饋控制，就會因此產生短周期的波動，所以也可采用開環控制的方式給予調節。由于加熱器的水管與電器連接、排水口、固定支撐部件的存在，在一定溫差下，加熱器的內部流體與外環境之間存在部分能量交換，有著相對固定的熱阻。通過測試儀采集的逐時氣溫數據與加熱器內部流體溫度差值，然后將差值與固定熱阻值相乘，二者乘積即為所需要補償的功率。將此功率數值傳送給可控硅調功器，累加到第二級調控的功率輸出數值之上。

第三級調控數據來源于T4，即環境溫度、加熱器結構特征等，需保證溫度傳感器既能代表制冷機冷凝器進風口的空氣溫度，又能代表加熱器周邊的溫度。計算式為：

ΔPe-第三級需要調節的補償功率；T3-測試裝置出水溫度；R-加熱器與外界環境之間的熱阻，一般取0.2-1；Pe'-第二級與第三級需要調節的功率總量。

在模擬測試夏季工況時，將變頻制冷壓縮機關停，第二級調控直接給調功器一個設定功率數值，第三級步驟仍按與冬季吸熱工況相同的步驟進行。

測試裝置水流出口溫度傳感器的功能，只是用來采集儀器出口溫度，不反饋給調控系統，所以最后輸出的功率計算結果，會與初始設定的功率參數有微小差別，但對于后期數據處理無影響。圖3給出了對同一測試孔采用該測試裝置的多級調控措施前后的測試效果對比，1、2為原有常規測試溫度隨時間變化的曲線，可以看出，采用多級調控措施后，溫度曲線3、4的波動得到明顯改善，精度也相應提高。

3 結束語

通過測試裝置的三級調控措施，可以得到較穩定的沒有波動的輸出，選取合適的機組調節余量功率系數，可使測試儀工作時自身的功率消耗降低。轉換開關消除了同一臺測試裝置在吸熱與排熱工況時的部分系統誤差。適合冬夏不同工況下的參數研究，在常規的工程應用中提高測試精度，給出更準確的熱物性參數。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孫文廣，冷旭勇，王飛，等.鄆城縣淺層地熱能勘查評價[J].山東國土資源，2015，31（1）：36-39.

[3]丁勇，黃昕，賈宇.兩種巖土熱響應測試方法對比[C].地溫資源與地源熱泵技術應用論文集（第四集），2011.

[4]GB50366-2009.中華人民共和國建設部[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[5]張宗元，孫曉濤，王飛，等.臨沂城區淺層地熱能利用方式適宜性分區研究[J].山東國土資源，2015，31（8）：42-44.

[6]喬衛來，陳九法，薛琴，等.地埋管熱響應測試及數據分析方法[J].流體機械，2010，38（6）：60-63.

[7]劉自強，王建輝，劉偉，等.變頻熱泵式巖土熱物性測試儀[P].中國專利：CN201310273535.1，2013-7-1.endprint