面向工程现场测试需求的热响应测试系统集成应用研究

余晓平，陈杰，周仁君，刘雨

（重庆科技学院 建筑工程学院，重庆 401331）

0 引言

地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由热泵机组、室外换热系统和建筑物内供热空调系统组成的系统。 地源热泵技术属于可再生能源利用技术，近年来得到大力推广。在地源热泵技术的应用过程中，获取岩石、土壤的热物性参数对地源热泵系统设计起着至关重要的作用， 其值一般通过热响应测试试验获取。

工程现场的岩土热响应试验，测试环境较复杂，测试周期长[1]，环境影响因素较多，具体现场测试环境如图1、图2 所示，在该环境下主要还存在以下问题：

图1 测试现场环境

图2 测试现场设备

（1） 测试地较偏远，工程现场的电压波动较大， 影响设备的工作性能[2]，导致地埋管内温度、流量数据异常，影响测试结果的准确性；

（2） 人工进行热响应测试稳态判定易出错，影响测试结果准确性；

（3） 测试设备的控制手段落后，没有集成的系统控制终端[3]，测试数据的后期处理重复工作量大[4]。

因此，笔者研发一种适用于工程现场环境需求的热响应测试系统，既可提高测试自动化程度，又可用于学校虚拟仿真实验，为建环专业学生提供开放实验训练。 本文通过测试系统软件模块搭建和软件编程， 研究了系统如何实现数据采集、数据处理和设备控制，分析了工程环境对测试的影响因素，可为同类型的工程测试系统开发和虚拟仿真实验台建设提供参考。

1 基于MCGS 热响应测试系统搭建

本系统的搭建流程主要分为窗口界面设计、通过Modbus 模块实现数据采集和设备控制以及Matlab 处理测试数据几个步骤，具体如图3 所示。

图3 系统搭建流程图

1.1 窗口界面设计

本系统基于监视与控制通用系统Monitor and Control Generated System（简称MCGS）研发，根据系统需要实现数据监测和设备控制功能，设置4 个运行窗口，分别是系统基本测试参数界面、测试参数显示界面、控制面板界面和数据历史曲线界面，具体如图4—图7 所示。

图4 系统基本测试参数界面

图5 测试参数显示界面

图6 控制面板界面

图7 数据历史界面

1.2 通过Modbus 模块实现数据采集及设备控制

Modbus 通讯协议类似于人与人之间交流的语言， 它是用于电子控制器上的一种通用语言，能够实现设备与设备之间的数据传输。 本系统主要采用支持Modbus 通讯协议的热电偶采集器和多通道采集器采集温度、流量、电压和电流数据，采用支持Modbus 通讯协议的工业继电器控制板对水泵以及加热器进行启停控制。RS485 接口是Modbus 通讯协议的标准接口，在工控机上一般没有此接口，因此需要RS485 转USB 装置实现工控机与Modbus工业模块的数据传输。 在建立工控机与各个Modbus 工业模块通讯时，对不同的采集数据以及控制变量，需在MCGS 软件中设置相应的数据变量和数据传输通道， 并在软件和Modbus 工业模块中设置对应的地址、波特率以及校验方式，才能进行正常的数据传输。 本系统的控制原理如图8 所示。

图8 系统控制原理图

1.3 利用Matlab 处理热响应测试数据

岩土的热物性参数一般采用基于线热源模型的斜率法求得[5]，此过程需要对大量的温度数据进行处理，再经过复杂的数学公式计算得到结果。 MCGS 本身不具备处理大量数据以及进行复杂数学计算的能力， 因此本文提出采用Matlab进行岩土热物性参数的计算， 再将计算结果返回到MCGS中，为热响应测试复杂的数据处理问题提供一种解决方案。

Matlab 的数学函数库是数学算法的一个巨大集合[6]。 在Matlab 中以线热源模型为基础进行数学模型的建立，首先根据线热源模型将测试过程中的进出水平均温度Tf与时间对数ln(τ)运用polyfit 函数拟合成y=ax+b 的线性关系式，相关代码如下：

k=60; %温度采集时间间隔，S

T=k∶k∶n*k; %设置温度采集时间范围，n 表示测试数据的组数

y1=polyfit(log(T),tf,1); %对温度采集的时间对数以及进出水平均温度拟合

a=y1(∶,1); %得到拟合函数的斜率

b=y1(∶,2); %得到拟合函数的截距

得到斜率a 以及截距b，再经过线热源模型的理论公式（1）

转换得到导热系数以及容积比热容的具体计算表达式，见公式（2）及公式（3）[7-8]。

式中，Q——地埋管换热量，W；H——地埋管深度，m；rb——钻孔半径，m；γ——欧拉常数，取0.5；Rb——管内流体到钻孔壁热阻，m.℃/w；TO——初始地温，℃。

Rb需要导入不同温度水的热物性参数表， 根据不同的水温选取参数值计算。根据式（1）—式（3）的计算表达式，编写程序最后得到基于线热源的数学计算模型。 通过OPC[9]建立MCGS 与Matlab 之间的连接，Matlab 通过OPC 读取MCGS 的基本测试数据进行计算， 计算完成后再将热物性参数的值通过OPC 传回MCGS。

采用Matlab 建立线热源模型处理实验数据不仅能够快速得到结果，同时Matlab 自带的拟合工具箱还能够绘制出拟合图像以便于分析，通过调整拟合度来提高拟合结果的准确性。

2 影响测试结果的因素分析

2.1 设备运行参数影响

工程现场热响应测试常因电压不稳定导致测试中断，因地埋管水温上升导致地埋管流速变化，从而对测试结果产生影响。 根据《地源热泵系统工程技术规范》[10]对地埋管换热器内流速和温度设定的要求，当实测数据超出设定范围时，系统应能够对异常数据作出及时反馈并控制设备以及时调节。

通过对系统设定报警显示， 能够有效解决上述问题。 在MCGS 软件中， 对需要设定范围的数据设置上下限报警， 如图9所示； 在控制策略中编写判定条件以及反馈控制的脚本程序，如图10 所示。 当流速超出规定范围时，系统界面会进行报警显示，并自动调节水泵的变频器，使流速达到规定范围，与传统的PID控制相比方法更加简单，方便测试人员的日常使用。

图9 异常报警设置

图10 设置判定条件及反馈控制

2.2 稳态判定影响

热响应测试包括初温测试以及岩土换热两个阶段。 岩土初温测试一般采用无功循环法，通过地埋管内水循环，记录循环流体进出口的温度随时间的变化， 当出口温度达到稳定时地埋管的进出口平均温度值即是岩土的初始温度。 岩土换热阶段持续时间较长，一般在48h 以上，只有当测试达到换热平衡时才能进行岩土换热系数以及容积比热容的计算，《地源热泵系统工程技术规范》[10]中对换热平衡时的条件作了详细规定。 热响应测试初温测试阶段以及岩土换热阶段，都存在一个稳态判定过程。目前在工程现场， 此工作基本都是由人工完成， 存在因测试数据量大，主观判定容易出错的问题。

MCGS 提供的事件策略功能，可以通过设定条件来完成系统的自动判稳。 根据《地源热泵系统工程技术规范》中提到的要求，在MCGS 中编写判定初温测试以及岩土换热阶段达到稳态的程序。 以下是本系统的初温稳态判定程序：

If (地源侧进口温度-地源侧出口温度)〈0.1 Then

初始地温判定计数器=初始地温判定计数器+1

If 初始地温判定计数器〉43200 Then %判定进出水温差连续12h 变化不超过0.1℃

初始地温=（地源侧进口温度+地源侧出口温度）/2

EndIf

EndIf

在不同测试阶段， 当运行参数满足各阶段程序设定的条件时，系统就会自动得出土壤初温和计算岩土换热系数以及容积比热容，实现从测试到计算输出的自动化。

2.3 系统自动测试的控制流程

通过集成的控制终端能够实现热响应测试从传统的手动控制到设备自动控制的优化，提升了设备的自动化程度，减少了工作人员的工作量。 本系统的自动控制流程如图11 所示。

图11 系统自动控制流程

3 案例应用分析

表1 为某项目竖直双U 地埋管测试试验孔埋管换热器的基本参数。

表1 某项目试验孔基本测试参数

将实测参数数据输入到软件中，得到时间与进出水平均温度曲线以及拟合的线性曲线，如图12 所示。

图12 进出水平均温度与时间对数曲线

通过对不同时间的数据段进行拟合，得到测试不同时长的计算结果，具体计算结果如表2 所示。

表2 系统测试与人工测试计算结果

从系统测试的结果看， 测试时长20h 与测试时长49.3h 导热系数相差4%,容积比热容相差6.3%，差异并不明显，且导热系数随时间增大而增大，容积比热容随时间增大而减小。 理论上随着测试时间增大，在恒热流条件下进出水温差也随之增大，换热量增大，所以导热系数也随之增大，当换热量增大时，由式（2）和式（3）可知，容积比热容减小，可见该软件计算结果符合理论公式变化的规律，具有工程应用的可靠性。在49.3h 系统测试的结果与人工测试的结果对比中，导热系数相差5.1%，容积比热容相差9%，可见采用该系统测试与人工测试，结果具有一致性，系统能够代替人工测试的结果，减少测试人员的工作量。

4 结论

（1） 建立了一种适用于工程现场的热响应测试系统，能够对热响应测试设备集成控制， 对测试数据实时记录并自动计算，说明了该系统的搭建路径以及实验数据的处理方法。

（2） 分析了工程现场测试环境影响测试结果的因素，给出了通过设置运行策略来降低外界影响的解决方案。

（3） 通过案例验证，系统测试时长在20h 以及49.3h 计算得到的导热系数以及容积比热容分别相差4%和6.3%，对于工程现场热响应测试在不要求准确精度的情况下，合理的稳态判定能够有效缩短测试时间。 对49.3h 系统测试结果与人工测试结果进行对比可知，导热系数相差5.1%，容积比热容相差9%，结果具有一致性，可见系统测试能够代替人工测试的结果，减少测试人员的工作量。

本文通过搭建热响应测试系统，实现了设备各模块之间的集成化和自动化，与人工测试相比降低了环境因素对测试结果的影响程度。 本系统后续进一步的优化方向将是加装无线通讯模块，实现设备的远程控制以及数据的远传。