恒功率巖土熱物性現(xiàn)場測試精度改善方法

趙新卓

摘 要：為了在現(xiàn)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(dǎo)率參數(shù)，便于研究巖土體在不同溫度下的熱導(dǎo)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(jìn)行三級調(diào)控，通過檢測某一級輸出的溫度等參數(shù)，并將其傳送給下一級，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，以減少由于熱慣性引起的波動。對環(huán)境因素引起的變化進(jìn)行定量補(bǔ)償，達(dá)到吸熱、放熱恒功率測試時較高的控制精度。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(zhì)材料的熱導(dǎo)率在常溫下為常數(shù)，隨溫度變化熱導(dǎo)率有微小的變化，這種隨溫度依附關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)可用近似線性關(guān)系表達(dá)[1]。由于地下巖土體的物質(zhì)成分復(fù)雜多樣，各種不同類別的巖土體在不同溫度下的熱導(dǎo)率隨溫度的依附關(guān)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(jù)實(shí)驗(yàn)測試[2]，冬夏不同工況測得的巖土體導(dǎo)熱系數(shù)變化可達(dá)15%。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對巖土樣本可以進(jìn)行不同溫度下的熱導(dǎo)率測試，給綜合研究和工程設(shè)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(shè)計中，由于地層巖土體的復(fù)雜性，必須進(jìn)行現(xiàn)場熱物性測試，得到巖土體綜合熱導(dǎo)率等參數(shù)。

目前在巖土熱物性的現(xiàn)場測試中，有兩種方法：“恒熱流法”、“恒溫法”[3]。《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB50366-2005》（2009 年版）[4]新增了附錄中巖土熱物性試驗(yàn)部分內(nèi)容，明確了地源熱泵系統(tǒng)的巖土熱物性試驗(yàn)相關(guān)要求，推薦 “恒熱流法”作為試驗(yàn)實(shí)施方法，并未對試驗(yàn)的吸熱與排熱做出規(guī)定，目前，巖土熱物性試驗(yàn)采用該方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)；制冷工況時則相對困難，由于制冷機(jī)組結(jié)構(gòu)特性，輸入輸出變化反饋緩慢，調(diào)節(jié)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(jìn)行吸熱能力測試，得到鉆孔單位延米的傳熱量數(shù)據(jù)，而不進(jìn)行巖土熱物性參數(shù)求取[6]。

專利號CN201310273535[7]采用變頻輔助調(diào)節(jié)方式進(jìn)行吸熱恒熱流測試，仍存在一定周期性的波動，達(dá)不到研究冬夏差別的精度要求。

對測試結(jié)果精度產(chǎn)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(zhì)流體一般為水，其比熱容大，熱慣性較高，并且流經(jīng)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(yīng)，使某一時刻測得的溫度數(shù)值可能與執(zhí)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(shí)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(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)采樣周期重合或存在倍數(shù)關(guān)系時，會在較長時間的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生偏離誤差。

對熱導(dǎo)率求解的另一影響因素為長周期波動，主要為環(huán)境影響，如天氣溫度的周期性變化。由于測試系統(tǒng)實(shí)際上不能完全絕熱，在外部環(huán)境和系統(tǒng)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(jìn)回水溫度變化很小，出現(xiàn)周期24h的波動。如果在測試末期的12h產(chǎn)生0.1℃偏差，一般會使熱導(dǎo)率計算數(shù)值產(chǎn)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(xiàn)場巖土熱物性測試裝置與三級逐步控制等方法，實(shí)現(xiàn)較高精度和穩(wěn)定程度的冷熱功率輸出，從而達(dá)到研究不同溫度下綜合導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律的目的。

2.1 測試裝置組成

測試裝置包括：進(jìn)回水管路、風(fēng)冷變頻制冷機(jī)組、加熱器、2個安裝在進(jìn)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(huán)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(tǒng)、執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集單元及輸入輸出單元等。結(jié)構(gòu)原理見圖1。

風(fēng)冷變頻制冷機(jī)組為測試裝置提供冷源，通過改變頻率調(diào)整輸出功率，使之超出測試裝置輸出功率一定范圍。制冷機(jī)組置于獨(dú)立的殼體內(nèi)，通過柔性管道與其他管路連接。隨測試工況不同，可以調(diào)整測試系統(tǒng)與制冷機(jī)的聯(lián)通情況，通過三通轉(zhuǎn)換開關(guān)S3與球閥開關(guān)D1實(shí)現(xiàn)水路循環(huán)的改變。

利用測試數(shù)據(jù)求解參數(shù)時，測試裝置進(jìn)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(dǎo)率。在一種工況測試過程中，當(dāng)兩個進(jìn)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(shù)據(jù)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(dǎo)率差別。所以在測試裝置進(jìn)回水溫度傳感器T1、T3與進(jìn)出水管路之間設(shè)置三通轉(zhuǎn)換開關(guān)S1與S2，使可能產(chǎn)生的系統(tǒng)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(shù)，傳送給下一級，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，以減少由于熱慣性引起的波動加大。對環(huán)境因素引起的變化定量補(bǔ)償，提高同種技術(shù)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(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，利用測試儀進(jìn)口溫度和壓縮機(jī)水流出口溫度的差值、流量、預(yù)先設(shè)定的測試功率，計算需要的頻率，再增加一部分調(diào)節(jié)余量，傳送給變頻器執(zhí)行。由于風(fēng)冷壓縮機(jī)輸出功率相對各種工況變化反應(yīng)時間較長，所以設(shè)置的控制時間步長可以適當(dāng)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(diào)節(jié)余量系數(shù)，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(diào)控的數(shù)據(jù)來源于制冷機(jī)的變工況特征、環(huán)境溫度、額定功率及功率調(diào)節(jié)系數(shù)，調(diào)節(jié)步長取5-10分鐘，計算式為：endprint

f-需調(diào)節(jié)的制冷機(jī)頻率；Pf-設(shè)定的測試功率；K1-功率調(diào)節(jié)的富裕系數(shù)，一般取1.2-1.3；K2-制冷機(jī)的變工況特征系數(shù)，一般取-0.01—-0.015；K3-制冷機(jī)的變工況特征系數(shù)，一般取1.1-1.3；Pc-制冷機(jī)的額定輸出功率；fc-制冷冷機(jī)的額定頻率；T4-環(huán)境溫度。

第二級，控制器給出設(shè)定功率與制冷壓縮機(jī)輸出功率的差值，使可控硅調(diào)功器執(zhí)行輸出，通過功率傳感器，反饋實(shí)際功率數(shù)值進(jìn)行調(diào)控。鑒于一級調(diào)控輸出已較平穩(wěn)，變化緩慢，所以二級調(diào)控步長可以適當(dāng)變小。由于是對一級輸出的另外控制，功率傳感器只是對調(diào)功器輸出的監(jiān)測，也可稱為開環(huán)調(diào)控方式。

第二級調(diào)控數(shù)據(jù)來源于通過T1、T2測得的制冷機(jī)輸出功率，計算式為：

Pe=（T2-T1）·Q·？籽c-Pf

Pe-加熱器需要的調(diào)節(jié)功率；T1-測試裝置進(jìn)水溫度；T2-制冷機(jī)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(chǎn)生長周期的波動，如果對測試儀進(jìn)出口的水溫進(jìn)行反饋控制，就會因此產(chǎn)生短周期的波動，所以也可采用開環(huán)控制的方式給予調(diào)節(jié)。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(nèi)部流體與外環(huán)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(shù)據(jù)與加熱器內(nèi)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(bǔ)償?shù)墓β?。將此功率?shù)值傳送給可控硅調(diào)功器，累加到第二級調(diào)控的功率輸出數(shù)值之上。

第三級調(diào)控數(shù)據(jù)來源于T4，即環(huán)境溫度、加熱器結(jié)構(gòu)特征等，需保證溫度傳感器既能代表制冷機(jī)冷凝器進(jìn)風(fēng)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(diào)節(jié)的補(bǔ)償功率；T3-測試裝置出水溫度；R-加熱器與外界環(huán)境之間的熱阻，一般取0.2-1；Pe'-第二級與第三級需要調(diào)節(jié)的功率總量。

在模擬測試夏季工況時，將變頻制冷壓縮機(jī)關(guān)停，第二級調(diào)控直接給調(diào)功器一個設(shè)定功率數(shù)值，第三級步驟仍按與冬季吸熱工況相同的步驟進(jìn)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(diào)控系統(tǒng)，所以最后輸出的功率計算結(jié)果，會與初始設(shè)定的功率參數(shù)有微小差別，但對于后期數(shù)據(jù)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(diào)控措施前后的測試效果對比，1、2為原有常規(guī)測試溫度隨時間變化的曲線，可以看出，采用多級調(diào)控措施后，溫度曲線3、4的波動得到明顯改善，精度也相應(yīng)提高。

3 結(jié)束語

通過測試裝置的三級調(diào)控措施，可以得到較穩(wěn)定的沒有波動的輸出，選取合適的機(jī)組調(diào)節(jié)余量功率系數(shù)，可使測試儀工作時自身的功率消耗降低。轉(zhuǎn)換開關(guān)消除了同一臺測試裝置在吸熱與排熱工況時的部分系統(tǒng)誤差。適合冬夏不同工況下的參數(shù)研究，在常規(guī)的工程應(yīng)用中提高測試精度，給出更準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[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?zé)崮芸辈樵u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(yīng)測試方法對比[C].地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集（第四集），2011.

[4]GB50366-2009.中華人民共和國建設(shè)部[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[5]張宗元，孫曉濤，王飛，等.臨沂城區(qū)淺層地?zé)崮芾梅绞竭m宜性分區(qū)研究[J].山東國土資源，2015，31（8）：42-44.

[6]喬衛(wèi)來，陳九法，薛琴，等.地埋管熱響應(yīng)測試及數(shù)據(jù)分析方法[J].流體機(jī)械，2010，38（6）：60-63.

[7]劉自強(qiáng)，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