面向工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求的熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)集成應(yīng)用研究

余曉平，陳杰，周仁君，劉雨

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由熱泵機(jī)組、室外換熱系統(tǒng)和建筑物內(nèi)供熱空調(diào)系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。 地源熱泵技術(shù)屬于可再生能源利用技術(shù)，近年來(lái)得到大力推廣。在地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，獲取巖石、土壤的熱物性參數(shù)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用， 其值一般通過(guò)熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)獲取。

工程現(xiàn)場(chǎng)的巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)試環(huán)境較復(fù)雜，測(cè)試周期長(zhǎng)[1]，環(huán)境影響因素較多，具體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖1、圖2 所示，在該環(huán)境下主要還存在以下問(wèn)題：

圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

（1） 測(cè)試地較偏遠(yuǎn)，工程現(xiàn)場(chǎng)的電壓波動(dòng)較大， 影響設(shè)備的工作性能[2]，導(dǎo)致地埋管內(nèi)溫度、流量數(shù)據(jù)異常，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；

（2） 人工進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試穩(wěn)態(tài)判定易出錯(cuò)，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性；

（3） 測(cè)試設(shè)備的控制手段落后，沒(méi)有集成的系統(tǒng)控制終端[3]，測(cè)試數(shù)據(jù)的后期處理重復(fù)工作量大[4]。

因此，筆者研發(fā)一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需求的熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，既可提高測(cè)試自動(dòng)化程度，又可用于學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為建環(huán)專業(yè)學(xué)生提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。 本文通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)軟件模塊搭建和軟件編程， 研究了系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制，分析了工程環(huán)境對(duì)測(cè)試的影響因素，可為同類型的工程測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)提供參考。

1 基于MCGS 熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)搭建

本系統(tǒng)的搭建流程主要分為窗口界面設(shè)計(jì)、通過(guò)Modbus 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制以及Matlab 處理測(cè)試數(shù)據(jù)幾個(gè)步驟，具體如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)搭建流程圖

1.1 窗口界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)Monitor and Control Generated System（簡(jiǎn)稱MCGS）研發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制功能，設(shè)置4 個(gè)運(yùn)行窗口，分別是系統(tǒng)基本測(cè)試參數(shù)界面、測(cè)試參數(shù)顯示界面、控制面板界面和數(shù)據(jù)歷史曲線界面，具體如圖4—圖7 所示。

圖4 系統(tǒng)基本測(cè)試參數(shù)界面

圖5 測(cè)試參數(shù)顯示界面

圖6 控制面板界面

圖7 數(shù)據(jù)歷史界面

1.2 通過(guò)Modbus 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制

Modbus 通訊協(xié)議類似于人與人之間交流的語(yǔ)言， 它是用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。 本系統(tǒng)主要采用支持Modbus 通訊協(xié)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(shù)據(jù)，采用支持Modbus 通訊協(xié)議的工業(yè)繼電器控制板對(duì)水泵以及加熱器進(jìn)行啟?？刂?。RS485 接口是Modbus 通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，在工控機(jī)上一般沒(méi)有此接口，因此需要RS485 轉(zhuǎn)USB 裝置實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與Modbus工業(yè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸。 在建立工控機(jī)與各個(gè)Modbus 工業(yè)模塊通訊時(shí)，對(duì)不同的采集數(shù)據(jù)以及控制變量，需在MCGS 軟件中設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)變量和數(shù)據(jù)傳輸通道， 并在軟件和Modbus 工業(yè)模塊中設(shè)置對(duì)應(yīng)的地址、波特率以及校驗(yàn)方式，才能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。 本系統(tǒng)的控制原理如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)控制原理圖

1.3 利用Matlab 處理熱響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

巖土的熱物性參數(shù)一般采用基于線熱源模型的斜率法求得[5]，此過(guò)程需要對(duì)大量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式計(jì)算得到結(jié)果。 MCGS 本身不具備處理大量數(shù)據(jù)以及進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的能力， 因此本文提出采用Matlab進(jìn)行巖土熱物性參數(shù)的計(jì)算， 再將計(jì)算結(jié)果返回到MCGS中，為熱響應(yīng)測(cè)試復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題提供一種解決方案。

Matlab 的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)是數(shù)學(xué)算法的一個(gè)巨大集合[6]。 在Matlab 中以線熱源模型為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，首先根據(jù)線熱源模型將測(cè)試過(guò)程中的進(jìn)出水平均溫度Tf與時(shí)間對(duì)數(shù)ln(τ)運(yùn)用polyfit 函數(shù)擬合成y=ax+b 的線性關(guān)系式，相關(guān)代碼如下：

k=60; %溫度采集時(shí)間間隔，S

T=k∶k∶n*k; %設(shè)置溫度采集時(shí)間范圍，n 表示測(cè)試數(shù)據(jù)的組數(shù)

y1=polyfit(log(T),tf,1); %對(duì)溫度采集的時(shí)間對(duì)數(shù)以及進(jìn)出水平均溫度擬合

a=y1(∶,1); %得到擬合函數(shù)的斜率

b=y1(∶,2); %得到擬合函數(shù)的截距

得到斜率a 以及截距b，再經(jīng)過(guò)線熱源模型的理論公式（1）

轉(zhuǎn)換得到導(dǎo)熱系數(shù)以及容積比熱容的具體計(jì)算表達(dá)式，見(jiàn)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——?dú)W拉常數(shù)，取0.5；Rb——管內(nèi)流體到鉆孔壁熱阻，m.℃/w；TO——初始地溫，℃。

Rb需要導(dǎo)入不同溫度水的熱物性參數(shù)表， 根據(jù)不同的水溫選取參數(shù)值計(jì)算。根據(jù)式（1）—式（3）的計(jì)算表達(dá)式，編寫(xiě)程序最后得到基于線熱源的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。 通過(guò)OPC[9]建立MCGS 與Matlab 之間的連接，Matlab 通過(guò)OPC 讀取MCGS 的基本測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 計(jì)算完成后再將熱物性參數(shù)的值通過(guò)OPC 傳回MCGS。

采用Matlab 建立線熱源模型處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅能夠快速得到結(jié)果，同時(shí)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(guò)調(diào)整擬合度來(lái)提高擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 影響測(cè)試結(jié)果的因素分析

2.1 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)影響

工程現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試常因電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致測(cè)試中斷，因地埋管水溫上升導(dǎo)致地埋管流速變化，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。 根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[10]對(duì)地埋管換熱器內(nèi)流速和溫度設(shè)定的要求，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)作出及時(shí)反饋并控制設(shè)備以及時(shí)調(diào)節(jié)。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)定報(bào)警顯示， 能夠有效解決上述問(wèn)題。 在MCGS 軟件中， 對(duì)需要設(shè)定范圍的數(shù)據(jù)設(shè)置上下限報(bào)警， 如圖9所示； 在控制策略中編寫(xiě)判定條件以及反饋控制的腳本程序，如圖10 所示。 當(dāng)流速超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)界面會(huì)進(jìn)行報(bào)警顯示，并自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的變頻器，使流速達(dá)到規(guī)定范圍，與傳統(tǒng)的PID控制相比方法更加簡(jiǎn)單，方便測(cè)試人員的日常使用。

圖9 異常報(bào)警設(shè)置

圖10 設(shè)置判定條件及反饋控制

2.2 穩(wěn)態(tài)判定影響

熱響應(yīng)測(cè)試包括初溫測(cè)試以及巖土換熱兩個(gè)階段。 巖土初溫測(cè)試一般采用無(wú)功循環(huán)法，通過(guò)地埋管內(nèi)水循環(huán)，記錄循環(huán)流體進(jìn)出口的溫度隨時(shí)間的變化， 當(dāng)出口溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)地埋管的進(jìn)出口平均溫度值即是巖土的初始溫度。 巖土換熱階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在48h 以上，只有當(dāng)測(cè)試達(dá)到換熱平衡時(shí)才能進(jìn)行巖土換熱系數(shù)以及容積比熱容的計(jì)算，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[10]中對(duì)換熱平衡時(shí)的條件作了詳細(xì)規(guī)定。 熱響應(yīng)測(cè)試初溫測(cè)試階段以及巖土換熱階段，都存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)判定過(guò)程。目前在工程現(xiàn)場(chǎng)， 此工作基本都是由人工完成， 存在因測(cè)試數(shù)據(jù)量大，主觀判定容易出錯(cuò)的問(wèn)題。

MCGS 提供的事件策略功能，可以通過(guò)設(shè)定條件來(lái)完成系統(tǒng)的自動(dòng)判穩(wěn)。 根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中提到的要求，在MCGS 中編寫(xiě)判定初溫測(cè)試以及巖土換熱階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)的程序。 以下是本系統(tǒng)的初溫穩(wěn)態(tài)判定程序：

If (地源側(cè)進(jìn)口溫度-地源側(cè)出口溫度)〈0.1 Then

初始地溫判定計(jì)數(shù)器=初始地溫判定計(jì)數(shù)器+1

If 初始地溫判定計(jì)數(shù)器〉43200 Then %判定進(jìn)出水溫差連續(xù)12h 變化不超過(guò)0.1℃

初始地溫=（地源側(cè)進(jìn)口溫度+地源側(cè)出口溫度）/2

EndIf

EndIf

在不同測(cè)試階段， 當(dāng)運(yùn)行參數(shù)滿足各階段程序設(shè)定的條件時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)得出土壤初溫和計(jì)算巖土換熱系數(shù)以及容積比熱容，實(shí)現(xiàn)從測(cè)試到計(jì)算輸出的自動(dòng)化。

2.3 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試的控制流程

通過(guò)集成的控制終端能夠?qū)崿F(xiàn)熱響應(yīng)測(cè)試從傳統(tǒng)的手動(dòng)控制到設(shè)備自動(dòng)控制的優(yōu)化，提升了設(shè)備的自動(dòng)化程度，減少了工作人員的工作量。 本系統(tǒng)的自動(dòng)控制流程如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程

3 案例應(yīng)用分析

表1 為某項(xiàng)目豎直雙U 地埋管測(cè)試試驗(yàn)孔埋管換熱器的基本參數(shù)。

表1 某項(xiàng)目試驗(yàn)孔基本測(cè)試參數(shù)

將實(shí)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到軟件中，得到時(shí)間與進(jìn)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(jìn)出水平均溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)曲線

通過(guò)對(duì)不同時(shí)間的數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到測(cè)試不同時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果，具體計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試與人工測(cè)試計(jì)算結(jié)果

從系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果看， 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)20h 與測(cè)試時(shí)長(zhǎng)49.3h 導(dǎo)熱系數(shù)相差4%,容積比熱容相差6.3%，差異并不明顯，且導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間增大而增大，容積比熱容隨時(shí)間增大而減小。 理論上隨著測(cè)試時(shí)間增大，在恒熱流條件下進(jìn)出水溫差也隨之增大，換熱量增大，所以導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大，當(dāng)換熱量增大時(shí)，由式（2）和式（3）可知，容積比熱容減小，可見(jiàn)該軟件計(jì)算結(jié)果符合理論公式變化的規(guī)律，具有工程應(yīng)用的可靠性。在49.3h 系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果與人工測(cè)試的結(jié)果對(duì)比中，導(dǎo)熱系數(shù)相差5.1%，容積比熱容相差9%，可見(jiàn)采用該系統(tǒng)測(cè)試與人工測(cè)試，結(jié)果具有一致性，系統(tǒng)能夠代替人工測(cè)試的結(jié)果，減少測(cè)試人員的工作量。

4 結(jié)論

（1） 建立了一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)犴憫?yīng)測(cè)試設(shè)備集成控制， 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄并自動(dòng)計(jì)算，說(shuō)明了該系統(tǒng)的搭建路徑以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。

（2） 分析了工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境影響測(cè)試結(jié)果的因素，給出了通過(guò)設(shè)置運(yùn)行策略來(lái)降低外界影響的解決方案。

（3） 通過(guò)案例驗(yàn)證，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)在20h 以及49.3h 計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)以及容積比熱容分別相差4%和6.3%，對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試在不要求準(zhǔn)確精度的情況下，合理的穩(wěn)態(tài)判定能夠有效縮短測(cè)試時(shí)間。 對(duì)49.3h 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與人工測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，導(dǎo)熱系數(shù)相差5.1%，容積比熱容相差9%，結(jié)果具有一致性，可見(jiàn)系統(tǒng)測(cè)試能夠代替人工測(cè)試的結(jié)果，減少測(cè)試人員的工作量。

本文通過(guò)搭建熱響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備各模塊之間的集成化和自動(dòng)化，與人工測(cè)試相比降低了環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響程度。 本系統(tǒng)后續(xù)進(jìn)一步的優(yōu)化方向?qū)⑹羌友b無(wú)線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。