面向工程現場測試需求的熱響應測試系統集成應用研究

余曉平，陳杰，周仁君，劉雨

（重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

地源熱泵系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由熱泵機組、室外換熱系統和建筑物內供熱空調系統組成的系統。 地源熱泵技術屬于可再生能源利用技術，近年來得到大力推廣。在地源熱泵技術的應用過程中，獲取巖石、土壤的熱物性參數對地源熱泵系統設計起著至關重要的作用， 其值一般通過熱響應測試試驗獲取。

工程現場的巖土熱響應試驗，測試環境較復雜，測試周期長[1]，環境影響因素較多，具體現場測試環境如圖1、圖2 所示，在該環境下主要還存在以下問題：

圖1 測試現場環境

圖2 測試現場設備

（1） 測試地較偏遠，工程現場的電壓波動較大， 影響設備的工作性能[2]，導致地埋管內溫度、流量數據異常，影響測試結果的準確性；

（2） 人工進行熱響應測試穩態判定易出錯，影響測試結果準確性；

（3） 測試設備的控制手段落后，沒有集成的系統控制終端[3]，測試數據的后期處理重復工作量大[4]。

因此，筆者研發一種適用于工程現場環境需求的熱響應測試系統，既可提高測試自動化程度，又可用于學校虛擬仿真實驗，為建環專業學生提供開放實驗訓練。 本文通過測試系統軟件模塊搭建和軟件編程， 研究了系統如何實現數據采集、數據處理和設備控制，分析了工程環境對測試的影響因素，可為同類型的工程測試系統開發和虛擬仿真實驗臺建設提供參考。

1 基于MCGS 熱響應測試系統搭建

本系統的搭建流程主要分為窗口界面設計、通過Modbus 模塊實現數據采集和設備控制以及Matlab 處理測試數據幾個步驟，具體如圖3 所示。

圖3 系統搭建流程圖

1.1 窗口界面設計

本系統基于監視與控制通用系統Monitor and Control Generated System（簡稱MCGS）研發，根據系統需要實現數據監測和設備控制功能，設置4 個運行窗口，分別是系統基本測試參數界面、測試參數顯示界面、控制面板界面和數據歷史曲線界面，具體如圖4—圖7 所示。

圖4 系統基本測試參數界面

圖5 測試參數顯示界面

圖6 控制面板界面

圖7 數據歷史界面

1.2 通過Modbus 模塊實現數據采集及設備控制

Modbus 通訊協議類似于人與人之間交流的語言， 它是用于電子控制器上的一種通用語言，能夠實現設備與設備之間的數據傳輸。 本系統主要采用支持Modbus 通訊協議的熱電偶采集器和多通道采集器采集溫度、流量、電壓和電流數據，采用支持Modbus 通訊協議的工業繼電器控制板對水泵以及加熱器進行啟停控制。RS485 接口是Modbus 通訊協議的標準接口，在工控機上一般沒有此接口，因此需要RS485 轉USB 裝置實現工控機與Modbus工業模塊的數據傳輸。 在建立工控機與各個Modbus 工業模塊通訊時，對不同的采集數據以及控制變量，需在MCGS 軟件中設置相應的數據變量和數據傳輸通道， 并在軟件和Modbus 工業模塊中設置對應的地址、波特率以及校驗方式，才能進行正常的數據傳輸。 本系統的控制原理如圖8 所示。

圖8 系統控制原理圖

1.3 利用Matlab 處理熱響應測試數據

巖土的熱物性參數一般采用基于線熱源模型的斜率法求得[5]，此過程需要對大量的溫度數據進行處理，再經過復雜的數學公式計算得到結果。 MCGS 本身不具備處理大量數據以及進行復雜數學計算的能力， 因此本文提出采用Matlab進行巖土熱物性參數的計算， 再將計算結果返回到MCGS中，為熱響應測試復雜的數據處理問題提供一種解決方案。

Matlab 的數學函數庫是數學算法的一個巨大集合[6]。 在Matlab 中以線熱源模型為基礎進行數學模型的建立，首先根據線熱源模型將測試過程中的進出水平均溫度Tf與時間對數ln(τ)運用polyfit 函數擬合成y=ax+b 的線性關系式，相關代碼如下：

k=60; %溫度采集時間間隔，S

T=k∶k∶n*k; %設置溫度采集時間范圍，n 表示測試數據的組數

y1=polyfit(log(T),tf,1); %對溫度采集的時間對數以及進出水平均溫度擬合

a=y1(∶,1); %得到擬合函數的斜率

b=y1(∶,2); %得到擬合函數的截距

得到斜率a 以及截距b，再經過線熱源模型的理論公式（1）

轉換得到導熱系數以及容積比熱容的具體計算表達式，見公式（2）及公式（3）[7-8]。

式中，Q——地埋管換熱量，W；H——地埋管深度，m；rb——鉆孔半徑，m；γ——歐拉常數，取0.5；Rb——管內流體到鉆孔壁熱阻，m.℃/w；TO——初始地溫，℃。

Rb需要導入不同溫度水的熱物性參數表， 根據不同的水溫選取參數值計算。根據式（1）—式（3）的計算表達式，編寫程序最后得到基于線熱源的數學計算模型。 通過OPC[9]建立MCGS 與Matlab 之間的連接，Matlab 通過OPC 讀取MCGS 的基本測試數據進行計算， 計算完成后再將熱物性參數的值通過OPC 傳回MCGS。

采用Matlab 建立線熱源模型處理實驗數據不僅能夠快速得到結果，同時Matlab 自帶的擬合工具箱還能夠繪制出擬合圖像以便于分析，通過調整擬合度來提高擬合結果的準確性。

2 影響測試結果的因素分析

2.1 設備運行參數影響

工程現場熱響應測試常因電壓不穩定導致測試中斷，因地埋管水溫上升導致地埋管流速變化，從而對測試結果產生影響。 根據《地源熱泵系統工程技術規范》[10]對地埋管換熱器內流速和溫度設定的要求，當實測數據超出設定范圍時，系統應能夠對異常數據作出及時反饋并控制設備以及時調節。

通過對系統設定報警顯示， 能夠有效解決上述問題。 在MCGS 軟件中， 對需要設定范圍的數據設置上下限報警， 如圖9所示； 在控制策略中編寫判定條件以及反饋控制的腳本程序，如圖10 所示。 當流速超出規定范圍時，系統界面會進行報警顯示，并自動調節水泵的變頻器，使流速達到規定范圍，與傳統的PID控制相比方法更加簡單，方便測試人員的日常使用。

圖9 異常報警設置

圖10 設置判定條件及反饋控制

2.2 穩態判定影響

熱響應測試包括初溫測試以及巖土換熱兩個階段。 巖土初溫測試一般采用無功循環法，通過地埋管內水循環，記錄循環流體進出口的溫度隨時間的變化， 當出口溫度達到穩定時地埋管的進出口平均溫度值即是巖土的初始溫度。 巖土換熱階段持續時間較長，一般在48h 以上，只有當測試達到換熱平衡時才能進行巖土換熱系數以及容積比熱容的計算，《地源熱泵系統工程技術規范》[10]中對換熱平衡時的條件作了詳細規定。 熱響應測試初溫測試階段以及巖土換熱階段，都存在一個穩態判定過程。目前在工程現場， 此工作基本都是由人工完成， 存在因測試數據量大，主觀判定容易出錯的問題。

MCGS 提供的事件策略功能，可以通過設定條件來完成系統的自動判穩。 根據《地源熱泵系統工程技術規范》中提到的要求，在MCGS 中編寫判定初溫測試以及巖土換熱階段達到穩態的程序。 以下是本系統的初溫穩態判定程序：

If (地源側進口溫度-地源側出口溫度)〈0.1 Then

初始地溫判定計數器=初始地溫判定計數器+1

If 初始地溫判定計數器〉43200 Then %判定進出水溫差連續12h 變化不超過0.1℃

初始地溫=（地源側進口溫度+地源側出口溫度）/2

EndIf

EndIf

在不同測試階段， 當運行參數滿足各階段程序設定的條件時，系統就會自動得出土壤初溫和計算巖土換熱系數以及容積比熱容，實現從測試到計算輸出的自動化。

2.3 系統自動測試的控制流程

通過集成的控制終端能夠實現熱響應測試從傳統的手動控制到設備自動控制的優化，提升了設備的自動化程度，減少了工作人員的工作量。 本系統的自動控制流程如圖11 所示。

圖11 系統自動控制流程

3 案例應用分析

表1 為某項目豎直雙U 地埋管測試試驗孔埋管換熱器的基本參數。

表1 某項目試驗孔基本測試參數

將實測參數數據輸入到軟件中，得到時間與進出水平均溫度曲線以及擬合的線性曲線，如圖12 所示。

圖12 進出水平均溫度與時間對數曲線

通過對不同時間的數據段進行擬合，得到測試不同時長的計算結果，具體計算結果如表2 所示。

表2 系統測試與人工測試計算結果

從系統測試的結果看， 測試時長20h 與測試時長49.3h 導熱系數相差4%,容積比熱容相差6.3%，差異并不明顯，且導熱系數隨時間增大而增大，容積比熱容隨時間增大而減小。 理論上隨著測試時間增大，在恒熱流條件下進出水溫差也隨之增大，換熱量增大，所以導熱系數也隨之增大，當換熱量增大時，由式（2）和式（3）可知，容積比熱容減小，可見該軟件計算結果符合理論公式變化的規律，具有工程應用的可靠性。在49.3h 系統測試的結果與人工測試的結果對比中，導熱系數相差5.1%，容積比熱容相差9%，可見采用該系統測試與人工測試，結果具有一致性，系統能夠代替人工測試的結果，減少測試人員的工作量。

4 結論

（1） 建立了一種適用于工程現場的熱響應測試系統，能夠對熱響應測試設備集成控制， 對測試數據實時記錄并自動計算，說明了該系統的搭建路徑以及實驗數據的處理方法。

（2） 分析了工程現場測試環境影響測試結果的因素，給出了通過設置運行策略來降低外界影響的解決方案。

（3） 通過案例驗證，系統測試時長在20h 以及49.3h 計算得到的導熱系數以及容積比熱容分別相差4%和6.3%，對于工程現場熱響應測試在不要求準確精度的情況下，合理的穩態判定能夠有效縮短測試時間。 對49.3h 系統測試結果與人工測試結果進行對比可知，導熱系數相差5.1%，容積比熱容相差9%，結果具有一致性，可見系統測試能夠代替人工測試的結果，減少測試人員的工作量。

本文通過搭建熱響應測試系統，實現了設備各模塊之間的集成化和自動化，與人工測試相比降低了環境因素對測試結果的影響程度。 本系統后續進一步的優化方向將是加裝無線通訊模塊，實現設備的遠程控制以及數據的遠傳。