基于MCGS 的巖土熱物性測試系統

尹振江 王景剛

巖土體熱物性指巖土體熱物性參數,是指不含回填料在內的,地埋管深度范圍內巖土的綜合導熱系數和綜合比熱容等。測試方法一般有實驗室法和現場測試法。相對而言,現場測試結果更接近實際情況[1]。

目前熱響應測試法是確定巖土熱物性參數比較常用的測試方法,它于1983年由Mogensen提出[2],用來在現場確定地埋管換熱器周圍巖土的導熱系數和鉆孔熱阻。測試原理是通過傳熱介質在土壤熱交換器中循環,在給定的放熱量或取熱量條件下連續記錄流體的進出口溫度,并根據溫度隨時間變化的規律推知土壤的導熱系數和鉆孔熱阻。該方法已經在世界范圍內廣泛用于地源熱泵地埋管換熱系統的熱工性能測試之中[3]。原則上,熱響應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,后者的優越性在于可以同時測試放熱量和取熱量,得到的數據可以通過線源近似法進行分析,或者通過數值參數估計同時計算土壤的多個熱力參數,但所需的計算時間較長。

近年來,國內許多大學和科研機構研制出了巖土熱物性測試裝置[6-11],強有力地推動了地源熱泵技術的推廣應用。我們也研發了一套基于MCGS巖土熱物性測試系統。

1 測試設備的基本原理

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

地源側換熱量不能直接測量,只能通過測量地埋管進出口溫度、換熱介質流量進行反推。本系統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,測得循環水流經地埋管前后的溫度、流量,從而可以計算得到該測試孔內地埋管地源側換熱量Q。

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

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

2 現場測試設備介紹

根據上述原理,設計了巖土熱物性測試系統(如圖1所示)。

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

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

3)數據采集系統。數據采集系統包括電氣控制柜和裝有MCGS組態軟件的PC機。

a.電氣控制系統。

DC24 V直流電源為檢測各種物理量的模數轉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,電流變送器與數據模塊實現,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據采集模塊實現,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據采集模塊實現,流量計采用FFM62智能電磁流量計,精度0.5級。數據采集模塊研華研制的4017A/D轉換模塊,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的轉換,轉換傳感器的電壓或電流到數字信號以及RS-485數字通信功能。溫度測量采用PT100鉑電阻溫度傳感器,溫度采集的數據模塊使用DAM-7033,精確度:±0.2%。系統使用研華研制的ADAM-4520通訊模塊將信號由RS-485轉換為RS-232實現設備與計算機的通訊。

b.MCGS組態軟件。

MCGS組態軟件由“MCGS組態環境”和“MCGS運行環境”兩個系統組成,兩部分既互相獨立,又緊密相關。用戶的所有組態配置過程都在組態環境中進行,組態環境相當于一套完整的工具軟件,它幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境是一個獨立的運行系統,它完成用戶組態設計的目標和功能,主要功能有實時監測、趨勢曲線查詢、數據報表查詢與打印等。

3 現場測試與數據分析

3.1 測試步驟

3.1.1 采集地下未擾動的地層原始溫度

1)地埋管內注滿水后靜止1 d～2 d,管內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境溫度影響很大,應采集離地面20 m以下的地埋管內水溫);3)打開球閥,保證管路通暢;4)閉合斷路器Q9,啟動循環泵;5)在計算好的時間內記錄下不少于3個時刻的地源出水溫度值;6)根據記錄數據計算出平均值,此值即為地層原始溫度。

3.1.2 測試、采集數據

1)啟動循環泵;2)閉合需啟動的電加熱器開關,根據實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)點擊測試界面上的【數據采集停止】鍵,顯示【數據采集啟動】表示測試開始;4)當地層換熱量和恒熱流輸入功率兩者在5%偏差內時系統即可判穩,系統穩定時“系統狀態”存儲為“1”,未穩定時存儲為“0”;5)若系統穩定保持60 min以上即可判定測試穩定,點擊【數據采集啟動】,顯示【數據采集停止】結束測試。

3.2 測試數據分析和計算

主要測試數據如下:地層原始溫度為17.6℃,地層在0 m～120 m內土壤綜合換熱系數為: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,但實際上由于電壓不穩定電加熱功率在5 kW上下動態浮動。因此,建議以后測試時增加穩壓器,以保證電加熱功率恒定。

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

由圖4可以看出,初期地埋管進出口溫度增加幅度較大,測試開始10 h以后,地埋管進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 結語

本文根據傳熱學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備,測試了地埋管進出口溫度以及循環水流量,計算出地層綜合傳熱系數等巖土熱物性參數,比傳統測試手段得出的結果更準確,更切合實際。所以,該設備具有極大的推廣與應用價值。

[1] GB 50366-2005,地源熱泵系統工程技術規范[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測量儀的研制[D].北京:中國地質大學,2006.

[7] 王書中,由世俊,張光平.熱響應測試在土壤熱交換器設計中的應用[J].太陽能學報,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用[J].電子技術應用,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用[J].吉林大學學報(地球科學版),2009,3(2):347-352.

[10] 周亞素.土壤導熱系數的現場測試方法[J].東華大學學報(自然科學版),2008,34(4):482-485.

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