（测试计量技术及仪器专业论文）便携式土壤导热系数测量仪的研制.pdf

独创性声明 本人声明呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交文件的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名：囤 日期：2 叟仝呈：臣：莎 口 f ，l j i ：一螽t 一 式的土壤导热系数测量仪非常必要。 本文分析了国内外土壤导热系数测量仪的发展状况和我国在此方面研究存 在的问题。从理论上对现有计算地埋管换热器的模型进行分析，着重介绍在土壤 热物性现场测试中的数据处理方法，并对其进行了比较，确定使用数据处理较为 简单、实用，并适合工程测试的线热源方法。 研制便携式地热导热系数测量仪的一大难点是实现测量仪的便携化，为此本 文从元器件的选型和结构布局两方面进行了分析。 仪器的控制系统采用上、下位机控制模式，上位机采用p c 机+ 组态软件，下 位机选用功能强大的西门子s 7 2 0 0c p u 2 2 4 x p ，实现对测量土壤导热系数的控制 和监控。 控制软件设计中，采用s t e p 7 - m i c r o w i n 3 2 软件编写控制程序。实现对加热 器加热功率的稳定控制，提高了控制精度。 系统监控软件组态设计中，采用国内先进的组态软件k i n g v i e wv 6 5 2 在上 位机上对控制系统进行组态。设计了系统加热状态界面、手动调节界面、曲线显 示界面等。组态软件友好的人机界面使得控制系统的操作更加快捷，更加人性化。 目前，此便携式土壤导热系数测量仪已经进行了多次完整的土壤导热系数测 量实验，实验结果令人满意，达到预期目标。稍加改进，便可以投入市场，为土 壤源热泵系统的推广起到很大的推动作用。 关键词：土壤源热泵系统；土壤导热系数；现场测量；便携； 北京工业大学工学硕士论文 ! 詈! 皇曼詈! ! 皇! ! 詈詈葛! ! ! ! ! ! ! 鼍詈! ! ! ! 詈! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 暑! ! 詈皇! ! ! ! ! 鼍! ! ! 皇! ! ! ! 皇! ! ! ! 皇苎 a b s t r a c t 舡ac l e a ne n e r g y , g e o t h e r m a le n e r g yh a sag r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi st h er a t i o n a lu s eo fag e o t h e r m a le n e r g y i th a s b e e nd e v e l o p e dw i d e l yn o w a d a y s ，d u et ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c si ns a v i n ge n e r g ya n dn o p o l l u t i o nt o t h ee n v i r o n m e n t c o m p a r i n gt ot h eo t h e rs y s t e m s ，g r o u n d c o u p l e dh e a t p u m ps y s t e m sn e e da d d i n ga nu n d e r g r o u n ds y s t e mw h i c hi n c l u d eb o r e h o l e sa n d b u r i e dp i p e s t h e nt h ee a r l yc o s t so fg r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m sw i l lb e i n c r e a s e dl a r g e l y k n o w i n gt h eg r o u n dt h e r m a lc o n d u e t i v i t i e se x a c t l yi sam e t h o df o r r e d u c i n gt h ee a r l yc o s t s 、 i nd o m e s t i cm a r k e t ，m o s ti n s t r u m e n t sf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s a r ef o r e i g np r o d u c t s a l t h o u g hi nr e c e n ty e a r s ，m a n yr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v eb e e n s t u d i e do nt h eg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e st e s t i n g t h e r ea r eg e n e r a l l yb u l k y , i n c o n v e n i e n tt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m si ng r o u n dt h e r m a lc o n d u e t i v i t i e st e s t i n s t r u m e n t s i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ep o r t a b l ei n s t r u m e n tf o rg r o u n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yt e s t t i l i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t e s ta th o m ea n da b r o a da n do u rr e s e a r c hp r o b l e m si nt h i sr e s e a r c hf i e l d i nt h i sp a p e r ， e x i s t i n gm o d e l so fg r o u n dh e a te x c h a n g e ra r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l ye m p h a s i z i n gt h e d a t aa n a l y s i s l i n e - s o u r c em e t h o di sc o n s i d e r e dt h eb e s to n ea m o n gt h ef o u rm e t h o d s b yc o m p a r i s o n p o r t a b i l i t yi so n eo ft h eb i gp r o b l e m si nt h er e s e a r c h t i l i sp a p e rs h o w sh o wt o s o l v et h ep r o b l e m 功ec o n t r o ls y s t e mu s e sam o d e lo fu p p e ra n dl o w e rc o n t r 0 1 乃玲u p p e r c o n t r o l l e ri sp ca n dt h el o w e rc o n t r o l l e ru s e st h ep o w e r f u ls i e m e n sp l cs 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 x p u s i n gt h e m t oa c h i e v et h ec o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n g w eu s es t e p 7 - m i c r 0 w i n 3 2t od e s i g nt h ep l cp r o g r a m s t e a d i l yc o n t r o lt h e h e a t i n gp o w e ri sr e a l i z e d n l ec o n t r o la c c u r a c yi sa l s oi m p r o v e d 劢es y s t e mc o n f i g u r i n gs o f t w a r ed e s i g nh a sa d o p t e da d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ek i n g v i e wv e r s i o n6 5 2i nt h eu p p e rc o n t r o l l e r d i s p l a y i n gs y s t e ms t a t u s w i n d o w , h a n dc o n t r o lw i n d o wa n dc u r v ed i s p l a y i n gw i n d o w , e t c ，h a v eb e e nd e s i g n e d t h em a l l m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f l - w a r em a k e st h eo p e r a t i o no ft h e c o n t r o ls y s t e ms w i f t e ra n dm o r eh u m a n i z a t i o n a tp r e s e n t ，t h i sp o r t a b l ei n s t r u m e n th a sb e e nc a r r i e do u ts e v e r a lc o m p l e t e e x p e r i m e n t s t h er e s u l t sa r es a t i s f a c t o r y t h ei n s t r u m e n tw i ub ea b l et oe n t e rt h e m a r k e tt op r o m o t et h eu s i n go fg r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e ma f t e ras l i g h t m o d i f i c a t i o n k e y w o r d ：g r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ；g r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ；i n s i t ut e s t ； p o r t a b l e ； 目录 皇! 皇皇皇! 鼍! 曼苎喜暑皇苎鼍! ! ! ! 曼詈! ! 曼鼍詈! ! ! 皇! 苎! ! ! 皇! ! ! 鼍! ! ! 詈詈! ! ! ! ! ! 鼍! 詈詈! 苎! 詈! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! 詈詈 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 土壤源热泵系统的概念1 1 1 2 土壤导热系数测量概述2 1 2 土壤源热泵系统研究的国内外研究现状2 1 2 1 土壤源热泵系统研究的国外研究现状2 1 2 2 土壤源热泵系统研究的国内研究现状3 1 3 土壤导热系数测量的国内外研究现状j 4 1 3 1 土壤导热系数测量的国外研究现状4 1 3 2 土壤导热系数测量的国内研究现状8 1 4 本课题的研究内容! 9 1 5 本课题的研究意义9 1 5 本章小结- 9 遗 第2 章土壤导热系数测量的原理及方法1 1 2 1 土壤导热系数测量的原理1 l 2 1 1 线热源模型1 l 2 1 2 圆柱源模型1 3 2 1 3 其它模型1 5 2 2 测量原理比较1 5 g 2 3 土壤导热系数测试方法1 6 2 4 本章小结1 8 第3 章便携式土壤导热系数测量仪的总体方案设计1 9 3 1 系统功能及设计目标1 9 3 2 系统结构及组成2 0 3 2 1 系统的初步规划2 0 3 2 2 系统的结构及组成2 0 3 3 管路加热部分总体设计2 1 3 3 1 管路加热部分的组成2 1 3 3 2 管路加热部分三维设计2 2 3 3 3 管路加热部分布局方案确定2 4 3 4 控制部分总体设计2 5 3 4 1 控制部分组成2 5 3 4 2 核心控制器的确定2 5 3 5 本章小结2 7 第4 章便携式土壤导热系数测量仪的具体设计研发2 9 4 1 上位机的选型2 9 i 北京工业大学工学硕士论文 ! 竺苎! 詈! ! 皇詈! ! ! 詈詈曼! ! ! 曼! 暑! ! 詈= ! ! 暑! ! ! ! 竺! ! ! ! ! 詈! ! ! 苎! 詈! ! 詈詈苎鼍皇! ! 詈! ! ! ! ! ! ! 竺詈! ! ! ! ! 詈 4 2 下位机的选型2 9 4 2 1 可编程控制器介绍2 9 4 2 2p l c 的选型3 0 4 2 3 $ 7 - 2 0 0c p u 2 2 4 x pp l c 配置3 1 4 3 控制系统其它主要元器件选型3 2 4 4 控制系统具体设计。3 5 4 4 1 任务分析3 5 4 4 2 控制系统的硬件连接3 5 4 4 3 功率控制3 8 4 5 管路加热部分主要元器件选型3 8 4 6 完成仪器研制4 1 4 6 1 连接、接口处的处理4 1 4 6 2 完成仪器研制4 3 4 7 本章小结4 5 第5 章便携式土壤导热系数测量仪的程序设计4 7 5 1 控制程序设计：4 7 5 1 1s t e p7 - m i c r o w i n 的介绍4 7 5 1 2 主程序设计4 8 5 1 3 程序资源分配5 0 5 1 4 功率调节的程序实现5 2 5 2 组态监控软件设计5 4 5 2 1 组态软件的选择5 4 5 2 2 组态监控软件设计5 7 5 2 3 组态王与a c c e s s 数据库的数据交换6 1 5 3 组态王与p l c 的通信6 3 5 3 1 组态王的通讯机制6 3 5 3 2 组态王与s 7 2 0 0 的通信6 3 5 4 本章小结6 4 第6 章实验说明及数据分析6 7 6 1 测量实验依据6 7 6 2 测试现场概况6 8 6 2 1 实验位置及测试孔介绍6 8 6 2 2 地质情况6 9 6 3 测试中几个重要参数6 9 6 3 1 测试时间长度7 0 6 3 2 输入功率质量7 0 6 3 3 数据起点7 0 6 3 4 未受扰动土壤温度的测量7 1 6 3 5 进、出口温度的确定7 1 6 4 实验过程及数据分析7 1 6 4 1 实验过程7 1 6 4 2 数据处理过程，7 2 6 4 3 实验数据分析7 2 i v 目录 皇! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈皇! ! 鼍! 竺! ! ! ! ! ! ! 苎鼍! 詈詈! = 暑! 苎詈! ! 曼! ! ! ! ! ! 詈鼍詈! 苎詈! ! ! ! 皇! ! 皇! 皇! ! ! ! ! 皇! ! 毫 6 4 4 系统误差分析7 6 6 5 本章小结7 8 结论7 9 参考文献8 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 5 致谢8 8 v ! 墼坠垄三耋些堡二一 v i 第1 章绪论 i|lii l lt 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 土壤源热泵系统的概念 土壤源热泵系统是一种以土壤作为低温热源的热泵空调技术，利用土壤温度 相对稳定的特点，依靠少量的电力驱动压缩机，通过深埋土壤的闭环管线系统进 行热交换，夏天向地下释放热量，冬天从地下吸收热量，从而实现制冷或供热的 需求【1 1 。 土壤源热泵的概念最早要追溯到1 9 1 2 年，瑞士人佐伊利( h z o e l l y ) 提出了 利用土壤作为热泵热源的设想，但是，直n - 战结束后，才在欧洲和北美兴起对 其大规模的研究与开发，这一阶段主要是对土壤源热泵进行了一系列基础性的实 验研究。然而，由于土壤源热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的研 究高潮持续到2 0 世纪5 0 年代中期便基本停止了。直到1 9 7 3 年，由于“能源危 机 的出现，美国和欧洲又展开了对土壤源热泵大规模的实验与理论研究，瑞典 在短短的几年内共安装了土壤源热泵1 0 0 0 多套，美国从1 9 7 7 年开始，重新开始 了对土壤源热泵的大规模研究。可以说，土壤源热泵的绝大部分研究工作均是在 逢 这一阶段完成的。进入二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进人了一个 全新快速发展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美迅速普及，在中欧和北欧地区， 土壤源热泵已成为家用热泵的主要热源：在美国，土壤源热泵因其节能性、舒适 性正在大力推广；在加拿大，从1 9 9 0 年到1 9 9 6 年家用的土壤源热泵以每年2 0 的递增销量而处于各种热泵系统的首位【2 j 。 我国在地源热泵领域的研究始于2 0 世纪8 0 年代初的天津大学和天津商学 院。2 0 世纪9 0 年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的 节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身 于此项研究。1 9 9 8 年国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。同时，我国也 成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。科研单位和企业互相合作， 在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展【3 】。 土壤源热泵具有传统空调系统无法比拟的节能、高效、环保等优点，是一项 适应节约型社会、循环经济的先进技术【，可广泛应用于商业楼宇、公共建筑、 住宅公寓、学校、医院等各类建筑物中。 1 1 2 土壤导热系数测量概述 设计土壤源热泵系统的地埋管换热器需要知道地下岩土的平均热物性参数 州，包括土壤的导热系数、热扩散率、和体积比热( 单位体积热容量) 。如果物性 北京工业大学工学硕士论文 ! ! ! ! 曼詈! ! ! ! 皂! 鼍! 鼍苎! 曼! ! ! ! ! 詈! ! 詈鼍皇詈曼詈! ! ! ! ! 苎! 苎! ! ! 皇! 詈詈詈! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! 詈詈詈 参数不准确，则设计的系统可能不能满足负荷需要，也可能规模过大，从而大大增 加初投资，k a v a n a u g h 的研究结果表明【5 】，当地下岩土的导热系数或导温系数发生 1 0 的偏差( 正向) ，则设计的地下埋管长度偏差为4 5 5 8 。埋管长度的偏 差将导致钻孔总长度的增加，从而导致整个工程的成本增加很多。所以，为了降 低施工成本，有必要准确的知道土壤导热系数。 目前，土壤导热系数最主要的测试方式是现场热响应实验测试法1 6 j ，这要求 将测试仪器运输到测试现场。现有大型测量仪虽然能够较为准确的测量出地热导 热系数，但在运输上十分不便，运输时需要特种车辆，导致运输成本增加。随着 地热工程的不断增多，为了达到便于运输和降低成本的目的，土壤导热系数测量 仪能够便携化，成为了测试人员的期盼。 1 2 土壤源热泵系统研究的国内外研究现状 1 2 1 土壤源热泵系统研究的国外研究现状 土壤源热泵的研究在国外大致可分为三个大阶段【7 , 1 1 。尽管佐伊利早在1 9 1 2 年就提出了土壤源热泵应用的思想，但大规模的应用直n - 战结束以后，才在欧 洲和北美兴起。土壤源热泵的许多基础性理论，包括至今仍被设计师们采用的“开 尔文线源理论”等数学理论模型。同时还提供了大量的试验测试数据，为后来的 研究提供了试验验证的基础。但第_ 波的研究高潮持续到2 0 世纪5 0 年代中期就 在土壤源热泵的初投资较高、当时的廉价能源等多种因素的打压下基本上停止 了。 1 9 7 3 年在欧美等国开始的“能源危机”重新促使人们对土壤源热泵研究的 兴趣和需求，特别是北欧国家如瑞典等的兴趣。瑞典在短短的几年中共安装了土 壤源热泵装置1 0 0 0 多台套。美国从1 9 7 7 年开始，重新开始了对土壤源热泵的大 规模研究，最显著的特征就是政府积极支持与倡导。资料研究显示表明：几乎所 有的研究都是在美国能源部的支持下，由美国的多所大学和o r n l ，b n l 国家级重 点实验室进行的。可以认为，土壤源热泵的大部分工作都在这一阶段完成并完成 了商品化和大规模推广应用的准备工作。 进入2 0 世纪9 0 年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新的发展阶段。 目前，土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有份额大约是3 。每年见诸报道 的土壤源热泵实际应用工程项目和研究报告不断增加。1 9 9 3 年成立了国际土壤 源热泵协会( i g s h p a ) ，1 9 9 6 年该协会专门推出了专门报道土壤源热泵研究的期 刊和网上杂志( w w w i g s h p a o k s t a t e e d u ) 。土壤源热泵还开始应用于大型的商 业建筑，其制冷供热量也从几冷吨到几千冷吨不等。对3 5 0 多套商用土壤源热 泵系统的调查表明【8 】：土壤源热泵系统通过与水环热泵( w a t e rl o o ph e a tp u m p ) 的结合使用，可以取得良好的节能效果，为土壤源热泵的的应用开辟了一个良好 应用前景【9 1 。 目前，以欧美为主要代表的土壤源热泵系统市场的主要研究工作，已经转向 第1 章绪论 皇! ! ! ! 詈! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈兰詈皇! ! ! ! ! ! ! 詈曼! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! 詈! ! 詈! ! ! ! ! 苎鼍鼍竺! 苎! 皇! 詈! ! ! 皇 了土壤源热泵系统与整个空调系统的结合运行的研究及商业化、市场化中一些亟 待克服的问题的解决。 1 2 2 土壤源热泵系统研究的国内研究现状 我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚【l o 】。2 0 世纪8 0 年代 初，天津大学和天津商学院开始在地源热泵领域进行研究【l 。自此，其他少数单 位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源 价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。2 0 世 纪9 0 年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环 保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研 究。 1 9 9 5 年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了中华人民共和国国家科 学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域 合作协议书，并于1 9 9 7 年又签署了该合作协议书的附件六 中华人民共和 国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书。其 中，两国政府将地源热泵空调技术纳入了两国能源效率和可再生能源的合作项目， 这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。1 9 9 8 年是我国在该领域 的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。 1 9 9 8 年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的 实验装置。 1 9 9 8 年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置。 同济大学的张旭等人从1 9 9 9 年开始在联合技术公司( u t c ) 的资助下，进行 了为期多年的一项土壤一太阳负荷热源的研究，重点针对长江中下游地区含水率 较高的土壤的蓄放热特性进行测试【l 引。 湖南大学从1 9 9 8 年开始也进行了多层水平埋管的换热特性研究【1 3 1 。 重庆建筑大学的刘宪英等人从1 9 9 9 年开始在国家自然科学基金的资助下进 行了浅埋竖直管换热器地源热泵的采暖和供冷特性研究【1 4 】。 同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研 单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许 多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，为我国地源热泵技术的发展做出 了很大贡献。 1 3 土壤导热系数测量的国内外研究现状 1 3 1 土壤导热系数测量的国外研究现状 m o g e n s e n ( 1 9 8 3 ) 首次提出将热反馈测试作为一种确定地面热导性的模式。 他提出了这样一个系统，在不变的功率之下被冷却的热导流体在系统中循环，而 系统的出口的流体温度被持续地记录下来。一段时间的液温数据就可以用来确定 北京工业大学工学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! 墨! ! ! ! 詈苎詈! ! ! 詈詈詈! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! 竺! 皂! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 苎詈皇鼍詈! ! ! 鼍 地面热传导性和地热井的热阻。 第一台可移动的热反馈测量设备于1 9 9 5 年分别在瑞典和美国诞生。瑞典的 热反馈测量设备( t e d ) 是由l u l e h 科技大学开发，由e k l b f 和g e h l i n 公之于世 的。同一时间，一台类似的设备在俄克拉荷马州立大学诞生并由a u s t i n 公布。 两台设备的地下构造都是基于m o g e n s e n 的概念，只不过加热器取代了散热器。 之后类似的设备单元在其他国家被开发出来。在美国，数个可以装入小型( 可 空运) 集装箱的商业化设备出现了。在荷兰，一台装在海运集装箱的热反馈测试 设备被制造出来( i f t e c h n o l o g ya n dg r o e n h o l l a n d ，1 9 9 9 ) 。德国版本的设备使 用了一个热泵来加热或者冷却热传导液。 近年来，瑞典、德国和美国等分别研制出了移动的地下热响应实验测量设备。 s h o n d e r 和b e c k ”】开发了一维瞬态有限差分模型，该模型把地下换热器内u 型管 等效为当量圆柱，结合处理试验测试数据，计算确定土壤导热系数。a u s t i n 1 6 】 应用二维模型成功计算出竖孔周围的土壤导热系数。 下面介绍一下各国已开发地热导热系数测量仪【l 。 1 瑞典移动热反馈测试设备t e d 是在1 9 9 5 9 6 年( e k l s f 和g e h l i n1 9 9 6 ： g e h l i n 和n o r d e l l l 9 9 7 ) 的时候由l u l e h 科技大学开发的。设备被装在一辆有棚 的小拖车上，包括一个能装8 5 升液体的液体箱，一个l 千瓦的循环泵，一个嵌 入的绝缘加热器和配套仪器。加热器可从3 一1 2 千瓦之间逐级调节动力。地热井 进口和出口的流体温度由热电偶测出。流体温度，周围气温，拖车内的气温和动 力都在预定可选的时间间隔之内被记录下来，如图卜1 所示。 图卜1 瑞典的移动热反馈测试设备 f i g u r e l - 1e q u i p m e n tf o rt e s t i n gg r o u n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi ns w e d e n 第1 章绪论 皇! 苎! ! ! 篁! ! ! ! ! ! 曼暑! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! 詈! 詈! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! 皇苎! ! ! ! ! ! ! 詈! 鼍! ! ! ! ! 鼍詈! ! ! 1 2 加拿大h a l i f a x 的加拿大环境机构在1 9 9 9 2 0 0 0 年的时候基于瑞典和美国的 经验制造了一台反应测试设备。它包括一台封闭的有空调的安装着一个0 7 5 千 瓦嵌入式泵的拖车，一个3 千瓦的嵌入式的电热水器，数据收集电脑，2 个温度 感应器，2 个压力标尺，排气管等等，如图1 - 2 所示。 图i - 2 加拿大的导热系数测量仪 f i g u r e1 - 2e q u i p m e mf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi nc a n a d a 3 德国在德国，热反应测试的模式在1 9 9 9 确立。德国的设备在在瑞典的t e d 的基础上建造的。l a n d t e c h n i kw e i h e n s t e p h a n 的设备包括2 个可移动的容器， u b e gg b r 的设备则包括一个装着加热装置的构架和控制柜。这二个设备都装在 小型的拖车上，如图i - 3 所示。 图i - 3 德国的热反应测试设备 f i g u r el 一3e q u i p m e mf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi ng e r m a n y 4 荷兰荷兰的g r o e n h o l l a n db v 公司在一个海运集装箱里造出了他们庞大的 测量设备。它由一台可逆流的热泵来驱动，因而可以加热或者冷却。热泵能产生 暖热流或冷热流，用来维持进出地热井的流体的温差。通过选定不同的温差和流 北京工业大学工学硕士论文 詈! ! ! 鼍! 詈! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! 詈墨! ! 詈! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! = ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! 苎! ! 詈 速，它能提供介于5 0 - 4 5 0 0 瓦的能量负载。该设备可以用于单个或者多个地热井 反应测量，如图1 - 4 所示。 图1 4 荷兰的土壤导热系数测量设备 f i g u r e l - 4e q u i p m e n tf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi nh o l a n d 5 挪威1 9 9 8 年以来，由制造瑞典的设备的同一家公司制造的热反馈测量设备 在挪威已经被g e o e n e r g i 公司应用。它和瑞典的设备构造和操作都相同，只是电 力系统是挪威独有的。 6 瑞士1 9 9 8 年以来，瑞士有2 台可移动的测量设备投入到地热井和能量井的 测量中。e p e l 设备具备三级加热单元并能提供各种速度的液流。e k z 设备装有一 个二级嵌入式电热器，只有固定流速的液流。 7 英国英国版的热反馈测量设备在1 9 9 9 年的夏天由g e o s c i e n c e s ，f a l m o u t h ， c o r n w a l l 制造。设备被装在一个2 轮推车上以便运输。2 个3 千瓦的电流体加热 器能提供2 种不同的热液流。一台多级变速泵提供介于o 2 5 升秒到l 升秒的 流量。输入的电能被测出，一个流量表和二个铂r t d 温度感应器被用来计算注入 的热量，如图i - 5 所示。 第1 章绪论 ! 鼍! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! 皇! ! 苎! ! 詈竺皇! ! ! ! 苎! ! ! ! ! i ! ! ! 詈! ! ! 曼! 苎! ! ! 詈! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇 图l 一5 英国的热反应测量设备 f i g u r e l 5e q u i p m e n tf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi ne n g l i s h 8 美国在美国有数个正在使用的设备。第一个设备是在1 9 9 5 年的时候在俄克 拉荷马州立大学诞生的。它被安放在拖车上，包含2 个发电机和一个可容3 0 0 升 ( 8 0 加仑) 水的水箱。加热部件分别为1 ，1 5 和2 千瓦功率。在其中一台加热 设备上使用功率控制器使得功率可以在0 - 4 5 千瓦之间连续调整。温度由沉入循 环液体中的2 台高灵敏度的电热调节器来测量。流量由一台嵌入式的流量表测 量。主要使用大约0 2 1 升秒的流量。加热器和循环泵耗费的能量由一个功率传 感器测量。每2 5 分钟收集一次数据。注入能量，流出和流入的液温和测定体积 的流量数据被载入到一台搭载的电脑上，如图1 - 6 所示。 另外，数台商业化的热反馈测试设备已经被开发出来。一家名叫e w b a n k sa n d a s s o c i a t e s 的俄克拉荷马公司造出了一系列的测量设备，从最开始的装在拖车 上，进步到能够装在可空运的板条箱里。另外一家俄克拉荷马公司t r i - s u n 造出 了一套能装在中型手提箱里的设备，如图1 - 7 所示。 图1 - 6 荚i l i 的热反应测量设备 f i g u r e l 一6 ae q u i p m e n tf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi nt h eu n i t e ds t a t e s 北京工业大学工学硕士论文 ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! 曼! = ! 皇! ! 詈! 皇! ! ! ! ! ! ! ! 苎曼苎! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! 竺! ! 鼍! 詈詈詈皇! ! 詈! 皇! ! ! ! 鼍! 詈! ! 曼! 皇 图l - 7 手提式热反应 1 1 9 量设备 f i g u r e l - 7p o r t a b l ee q u i p m e n tf o rt e s t i n gg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi nt h eu n i t e ds t a t e s 1 3 2 土壤导热系数测量的国内研究现状 ， 国内在实际的地埋管土壤源热泵系统的设计和应用中，经常忽视土壤导热系 数的测量，简单的按照每延米换热量来指导地埋管换热器的设计，给土壤源热泵 系统的长期稳定运行埋下了很多隐患【1 8 】。近年来，国内少数一些科研机构进行了 土壤导热系数测量的研究。 冯健美等【1 9 1 利用探针法对土壤和黄砂在不同含水量及干密度状态下进行导 热系数测试。 张旭等【2 0 】对不同含水率及密度的土砂混合物的导热系数进行了测量。 一 庄迎春等【2 l 】研究了砂和澎润土及其与水泥混合材料的导热性能。 丁良士等【2 2 1 设计出土壤源热泵中土壤导热系数测定系统，并成功进行了实 验。 方肇洪、于明志等删进行了地源热泵土壤导热系数的现场测试，并在改进的 线热源模型基础上，使用自行开发的软件，采用参数估计方法，计算确定出土壤导 热系数和孔内热阻。 1 4 本课题的研究内容 测量土壤导热系数是土壤源热泵系统中地埋管换热器设计的重要环节，现在 测量土壤导热系数的方法主要是现场测试法，本课题的研究内容是针对土壤导热 系数测量的现场测试法研制一台便携式土壤导热系数测量仪，实现了对土壤导热 系数的准确测量，并且测量仪体积小、重量轻，便于单人携带。 具体内容： ( 1 ) 测量仪总体方案设计； ( 2 ) 测量仪管路设计： ( 3 ) 控制系统硬件设计； ( 4 ) 控制系统软件设计： 第1 覃绪论 ! 鼍! 詈! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 暑! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 皇! 曼! 苎! ! ! 苎皇! 鼍 ( 5 ) 监控软件组态设计； ( 6 ) 实验测试及数据分析。 1 5 本课题的研究意义 土壤导热系数是土壤热物性的重要参数之一，准确知道土壤导热系数是土壤 源热泵工程的设计的重要环节，对节约工程的成本效果明显。本课题研制的便携 式土壤导热系数测量仪在保证仪器测试功能的基础上实现仪器的便携化，仪器便 于单人携带，运输方便，进而可以快速响应工程的需要。此外，本仪器密封性好、 可靠性高，可以适应户外恶劣的工作环境，从而降低户外辅助工作量。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的背景，分析了土壤源热泵及土壤导热系数测量仪的国内外 研究现状，说明了土壤源热泵系统良好的应用前景以及研制土壤导热系数测量仪 的意义。因此确定了本课题的研究对象和研究内容，并阐述了本课题的研究意义。 尘塑坠垄垒丝些垒坠一 1 0 第2 章土壤导热系数测量仪的原理及方法 皇! ! 竺鼍皇! ! ! 暑! ! 詈! ! 曼暑! ! 詈! ! ! ! ! 苎! ! ! ! i i i i 一一! | ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! 詈鼍! ! ! ! ! ! ! 詈! 詈! 鼍 第2 章土壤导热系数测量的原理及方法 2 1 土壤导热系数测量的原理 现有很多理论模型【2 4 】用来分析确定地埋管综合导热特性，下面介绍几种主 要理论模型： 2 1 1 线热源模型 通过计算瞬时的管路温度、输入的热量可以估算出土壤导热系数和钻孔壁的 热阻( 见图2 1 ) 。为了了解钻孔与地层间换热的基本概念，先介绍一下简单的 模型线热源模型【2 4 1 。线热源模型就是把地下埋管换热器的中心轴线视为线热 源，该轴为中心呈辐射状向周围传热( 见图2 2 ) 。几何上，线热源只有长度量， 无面积量，所以地下埋管换热器的换热性能参数按长度量确定。线热源代表整个 地埋管换热器( 包括u 型管和回填料) 。实际上，回填料的热特性不同于土壤， 但在线热源模型中做忽略处理。同时u 型管中循环液的蓄热也忽略不计。 g r o u n dl o o pt e m p e r a t u r e t i m ol h r ) h e a ti n p u tr a t e s