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地源热泵U型埋管换热性能测试系统点击：1807 日期：[ 2014-04-26 22:00:44 ] |
| 地源热泵U型埋管换热性能测试系统 程筱军1,王邦勤1,王升博2,崔佳冬1 (1.杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;2.杭州地源空调研究所,浙江杭州310003) 摘要：地源热泵U型埋管系统的换热性能对地源中央空调的运行效率非常重要。该文基于AVR单片机构建了U型埋管系统的换热性能测试系统。其主要包括温度的测试和控制模块,流速的测试和控制模块,通信模块,显示模块。该系统能有效的测试U型理管的换热性能。 关键词：地源;测试;性能 中图分类号：TB657 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2009)02-0017-04 0 引 言 地热资源的温度常年相对稳定,冬季比环境温度高,夏季比环境温度低,是很好的热泵热源和空调 冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%-60%,因此,可节省运行费用 40%-60%。随着经济的发展和我国人民生活水平的提高,以及对能源危机和环保问题严峻性的认识 提高,作为一种有效的节能绿色产品,地源热泵将在我国建筑空调系统中发挥越来越重要的作用。目 前,在政府积极支持与倡导下,地源热泵应用日益广泛,为建立节约型社会,解决面临的能源危机问题提 供了新思路。国内地源热泵在大量的工程实例基础上,已经形成了广阔的发展市场,地源热泵将成为极 具潜力的产业[1]。地源热泵空调系统最主要的研究对象是地热换热器[2-4]。设计地源热泵系统的地热 换热器需要知道地下岩土的热物性参数。同时,地源热泵系统建好以后也需要实际换热测试效果,这些 都需要一套测试系统来完成。目前,多数测试系统都是建立在空调热泵和换热器联机的情况下进行[5]。 这样的测试系统具有针对性,但其测试系统较大,测试不方便,本文将建立一套方便、效率高的换热器测 试系统具有重要的社会价值。 1 测试原理与仪器结构 整个测试系统采用热平衡原理,测试系统结构图如图1所示。在水箱中安装9kW电阻丝组成加热 系统,并通过单片机进行PID控制,使进口水温达到设定值。安装变频器控制水泵的运行功率,从而控 制循环水流流速达到设定值。地下埋管的放热量(即地热换热器的负荷)是通过U型管的进、出口水 温和流量得到。当地源热泵空调系统连续稳定运行时,地热换热器内循环液与岩土之间总的换热量Q (单位为kw)的计算公式[6]为: Q=GCpρ( EWT- OWT) (1) 式中,G为循环液流量,m3/s;ρ为循环液的密度,kg/m3;Cp为循环液的定压比热容,kJ/(kg·K);EWT 为循环液进入U管的平均温度;OWT为循环液流出的平均温度。 测试原理:温度传感器测试进水口温度EWT和出水口温度OWT,流速传感器测试水管中水的流速,按式1计算的换热量显示在计算机工作界面上。为得到U型埋管在不同条件下全面的换热性能。首先,通过控温系统保持EWT恒定,改变流速,可以得到特定进水口温度下不同流速的换热效果。随后,改变EWT,重复以上过程可以得到不同EWT值下不同流速的一系列换热量。 2 系统硬件 整个检测控制系统主要由计算机系统(上位机)、单片机测控系统(下位机)组成。下位机包括温度传感器、流速传感器、功率加热系统,流速控制系统等部分,输入和显示系统。如图2所示。 本文采用PT1000作为温度传感器,信号调理后经Atmega 16内部A/D转换为数字信号。根据设定温度,采用PID算法后用PWM控制固态继电器加热水温到设定温度。采用流速传感器对水管中水流速度进行测试。采用PWM控制变频器,从而控制水泵的运行功率,使流速达到特定值。温度和流速的设定及温度和流速的测试值都显示在液晶显示器,同时也可显示在计算机工作界面中,与计算机的通信采 用RS232。 2.1 温度的采集和控制 热敏电阻PT1000的温度采集电路采用惠斯通电桥电路。通过OP07随器后用仪表放大器AD620放 大后输入单片机进行AD转换,如图3所示。实际的温度值需要求解二阶和三阶方程的解,计算程序复 杂,精度也难以保证。为克服铂电阻的非线性和测温桥路输出的非线性,本文采用查表和线性插值法, 以使A/ D输入值再现实时温度值。 单片机根据实际温度值与设定温度值,采用PID算法输出一个PWM控制量,实现对加热量的连续控制。PID控制算法,即比例、积分、微分控制,是工业过程控制中应用广泛的一种基本控制方法。但是直接采用此算法,在系统启动、停止或大幅调节时容易产生很大的超调量,引起积分饱和。因此,对PID 进行改进,采用积分分离法,可以抑制这一现象。积分分离法在开始时(即实际温度与设定温度值偏差 较大时)不积分;当控制的实际温度接近设定值时,投入积分算法以消除静差,提高控制精度。 2.2 流速的采集和控制 系统采用涡轮流量传感器进行流速测定。涡轮流量传感器采用硬质合金轴承止推式结构,当流体以一定流速流径传感器时,流体的冲力使叶轮旋转,在一定的条件下,叶轮的转速与流体的流速成正比。用红外对管感应叶片的转动并输出电脉冲频率信号。使用Atmega16单片机中T/C的输入捕捉功能得到脉冲频率。对流速的控制是通过输出一个PWM信号控制松下变频器,由变频器控制水泵的转速从 而控制水流速度。 3 测试界面和测试结果 测试软件的界面显示出水温度、进水温度、流速及根据以上数据计算出的热交换量,如图4所示。在某工地实测时的界面,本次实验进水温度设定为32℃,流速设定在19L/min。 测试仪器的软件系统对测试数据进行加权处理以后计算出单位时间的瞬时换热功率。测试仪器每两秒钟自行采集一个数据。最后测试结果显示:一号测试孔最后稳态的单孔换热功率为4 834W,每米管长换热量K=Q/(82m×2)=29.5w/m;二号测试孔最后稳态的单孔换热功率为4 886W,每米管长换热 量K=Q/(82m×2)=29.8w/m;三号测试孔最后稳态的单孔换热功率为4 852W,每米管长换热量K=Q/ (82m×2)=29.6w/m。 4 结 论 基于Atmega16单片机构建了地源热泵U型埋管换热性能测试系统。测试部分包括进水口和出水 口温度及水流速度的测量,控制部分包括进水口温度和水流速度的控制。测试结果采用计算机显示,系 统结构简单,测试效果良好。 图4测试主界面 参考文献 [1] 王兴东.地源热泵技术的应用及发展研究[J].甘肃科技, 2008, 24(9): 144-145. [2] 刘文学.地源热泵地埋管的传热性能实验研究[D].北京:北京工业大学, 2007. [3] 胡宁,余跃进.地源热泵竖直U型管换热器的传热模型分析[J].建筑节能, 2008, 36(5): 16-18. [4] 蒋建龙.土壤源热泵单U型垂直管换热器的传热研究和设计计算[D].杭州:浙江大学, 2007. [5] 李鑫,刁乃仁,齐立宝.地源热泵空调系统运行测试分析[J].科技信息, 2008, (10): 37-41. [6] 李晓东,李雨桐,于明志.基于地源热泵的岩土热物性测试仪的研制与应用[J].仪表技术与传感器, 2004,(9): 21 -22. |
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