摘要：根据GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范和DZ/T 0225-2009浅层地热能勘查评价规范中的相关规定，地埋管地源热泵项目在设计前应进行热响应测试工作，通过测试获得岩土体初始温度、热物性参数以及地埋管换热器的换热能力作为地源热泵项目的设计依据。用于开展热响应测试的设备为热响应测试仪器，该仪器在浅层地温能的研究和地源热泵项目的前期勘查工作中广泛应用中。在实际应用中，目前的热响应测试仪器的硬件和软件的配置比较老旧，系多年以前的产品，仪器的性能稳定性较差，功能较单一，已经不能满足更多的科研和勘查的需求。根据热响应测试实际工作中的经验和需求，以及对热响应测试仪器的深入研究，我们认为测试仪器在硬件和软件方面需要进行升级，以提升设备的性能，并且对仪器的功能进行拓展延伸。
关键词：浅层地温能；勘查；热响应测试；智能系统；远程控制；数字传输；多点测试；
前言
浅层地温能与太阳能、风能并称为三大自然清洁能源。封闭式地埋管地源热泵系统是开发利用浅层地温能的主要方式，浅层地温能在暖通系统的应用中节能效果显著，得到了清洁能源利用研究行业以及用户一致的认可。
根据行业调查统计，我国目前浅层地温能开发利用的主要方式为地埋管地源热泵，该系统主要由热泵机组、地埋管换热器和末端组成。该系统主要是以可再生的低品位地热能冷、热源，实现供暖、制冷的新型能源利用方式，与使用煤、气、油等常规能源供暖空调方式相比，具有节能、环保、可再生等特点。地埋管地源热泵系统设计的重点就是地埋管换热器的设计，一旦地埋管换热器设计不合理，可能导致地源热泵系统投资增加或者运行效率降低甚至无法正常运行。
热响应测试的目的就是通过原位测试及分析工作，获得本地基本地质资料、地埋管换热孔与周围岩土体间的换热规律、每延米地埋管换热器的换热量、岩土体的热物性参数以及周围温度场的变化情况等，为地源热泵系统提供土壤的热物性参数及钻孔热阻等参数，为确定换热孔的钻探施工工艺、设计地埋管换热器以及整个热泵系统提供依据。
隶属北京市地质勘察技术院的北京华清荣昊新能源开发有限公司系国内较早从事热响应测试仪器开发和应用的机构，该公司开发的热响应测试仪器在全国各地的地勘单位和地源热泵行业中广泛应用，该公司的设备经过不断的改进，配置较高，性能稳定。可进行岩土热物性参数、单孔换热功率、热干扰等测试。
研究与设计出一套更科学合理且造价低廉的浅层地温能热响应测试仪将能够为地源热泵系统的设计和建设提供更准确和更全面的数据。本文基于热响应测试工作中设备运行不稳定、数据易丢失、对外部环境适应性差的实际现状，以及热响应测试仪的功能单一的状况，同时根据测试工作中对测试仪器的功能需求，提出热响应测试仪器新的设计思路，并对设计结果进行分析与探讨，旨在更好地满足浅层地温的勘查需求，为浅层地温能的研究和开发利用提供服务。
测试设备现状
热响应测试仪目前在国内正在普遍使用，这些设备大多是由地源热泵系统供应链上相关的企事业单位专业研制并组装的，国内比较知名的如：北京华清、北京艾诺唯申科技有限公司等。不同机构开发的热响应测试仪器设计思路基本一致，大致由以下几部分组成（图一）：
1、电力供应系统，由电力稳压器、电力控制开关、电力调节元器件组成，对现场有供电条件的直接接入外部电力，现场没有供电条件的需要另外配备发电机组进行发电，电力经过稳压器供给测试仪主机以保证输入电压相对稳定；
2、能源输出系统，主要为制冷和制热设备，制冷设备为空气源热泵，用于进行冬季制暖工况下的热响应测试，向地埋管中输入冷量；制热设备为大功率热水器，用于进行夏季制冷工况下的热响应测试，向地埋管中输入热量；
3、循环系统，由水箱、循环泵和管路构成，用于热响应测试过程中将能源输出系统与地埋管形成循环回路，并进行热交换；
4、感应系统，由温度感应器和流量计组成，在热响应测试过程中感应出水管、回水管和水箱中的温度变化数据，以及循环水路的水流速度；
5、微电脑系统，用于控制热响应测试过程中的工况状态，记录并存储各个感应元件传送的实时数据，记录电力系统的数据波动和能源输出系统的实时数据；
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图一 热响应测试仪器配置图
全国各地很多地勘单位已经购置热响应测试仪且一直在地源热泵项目的勘查工作中发挥着重要作用，江苏省内，华东有色、江苏省地调院和地质三队等单位目前均拥有热响应测试仪，热响应测试仪的添置也推动了这几家兄弟单位在浅层地温能方面的研究工作，并因此产生了很多的科研成果。
江苏省地质调查研究院杜建国工程师在《江苏泰州城市规划区浅层地热能特征及其开发利用》中重点阐述了在该项目的研究中热响应测试的方法和测试结果，并据此进行了深入研究。说明了热响应测试仪不仅可以为建设项目提供勘查服务，也能为浅层地温能的研究提供依据。
在实际应用中目前所采用的热响应测试仪还存在一定的局限性，具体不足表现在：
1、温度感应点较少，且增加感应点的成本较高；目前的测试设备主要采用的是PT100温度传感器，一般只设置了三个探点，每个温感探头与电脑主机的数据传输必须占用一组线路及电脑主板上的一个插槽，故测试点位的数量受到主板上的插槽数量的限制；
2、测试方法固定，不能按需要任意设定测试条件，更不能模拟实际工况进行测试；测试设备采用的是有极调节开关，一般只有三档输出功率，即所谓的低功率3KW、中功率6KW、大功率10KW，无法进行实际工况模拟测试；
3、电脑及软件系统落后，系统不稳定，不能存储大量数据，易丢失，也不能实现远程控制。目前的测试设备上的用于控制和记录的电脑系统均较陈旧，无论是硬件还是软件均是多年以前的产品，系统兼容性较差，存储器容量较小，为淘汰落后的产品，无法升级以实现更多的功能需求。
随着科学技术的发展进步，特别是电子科技的日新月异，社会已经进入了数字传输和智能时代。目前的设备在温度感应器、数据采集和传输以及设备的控制系统方面均采用模拟技术，不能满足实际工作需要，已经远远落后于时代。
为了提高热响应测试仪器的实用性，适应新的科研和生产测试需求，需要对测试设备在性能和功能上进行一次升级改进， 笔者将结合实际需求对设计思路进行阐述。
热响应测试仪器升级设计方案
一、功能设置
笔者作为地勘单位的技术人员，结合野外测试工作及数据处理的过程中的认识，提出如下升级建议，作为设备升级改进的方向。
首先，热响应测试仪器应该具备输出功率的无极调节功能。现在所普遍采用的高功率测试方式，即向地埋管中连续性地大量输入热能，与地层进行热交换，通过对所采集的数据进行运算分析，从而计算出测试井的热交换功率以及地层的比热容等相应结果，并作为后期的地源热泵系统设计的依据，这种方法是科学的；但是，笔者认为，模拟实际工况的测试方法更为直观，对于设计工作具有更高的参考价值。这项功能的实现将能够提高测试数据的客观性和实用性，可以根据实际需要设定任意测试工况。
其次，热响应测试仪器应该具备能够满足多点测试需求的功能。目前的测试普遍只能同时对三个感应点进行测试并采集数据，笔者认为，三个感应点的数据具有一定局限性，所能提供的信息不够全面，在从事地埋管系统深入研究时无法获取不同深度的地埋管与地层的热交换的变化规律。多点位测试将能够给地埋管的设计提供更科学的依据，使得地埋管的设计更经济、更合理成为可能。这项功能的实现将能够提高测试数据的客观性和全面性，为后期浅层地温能的各项研究工作提供更多的测试方式和更全面的测试数据；也能给暖通设计人员提供更客观和更具体的依据。
最后，热响应测试仪器应该具备远程控制和数据传输功能。目前的测试设备的电脑配置普遍较老旧，数据易丢失，测试过程中必须在现场进行调节和控制，数据的采集通过移动存储器进行转移。工作效率低下且工作强度较高。这项功能的实现将能够使得测试工作具有智能性和便捷性，极大降低测试人员的工作强度。
二、升级设计方案
热响应测试仪器升级版仍然由五个部分组成，基本功能也保持一致，分别是：电力供应系统、能源输出系统、循环系统、感应系统、微电脑系统。根据现今的科学技术，结合热响应测试实际的需要对各个大的组成部分的配置进行升级（图二）。
1、电力供应系统，稳压电源选用质量可靠，运行稳定为原则，作为选择依据；同时，输出功率的配置必须高于热响应测试仪器最大运行功率50%以上，以确保电力供应的稳定。
2、能源输出系统，本设计只配置热能输出系统，不配置制冷设备。从技术和品质的角度，保温水箱、加热棒、控制器等相关集成以质量可靠为选型依据向特定企业定制，采用变频无极调节进行控制；
3、循环系统，主要部件为循环泵，必须为高温循环泵，以“格兰富”一线品牌作为选型参考，扬程30m以上，无极调节控制；
4、感应系统，这部分是本次升级的重点，首先，温度感应器采用DS18B20芯片数字温感器，RS485单总线数据传输方式，即一组温度信号传输线上可设置几十个信号感应器，电脑主板上只需要一个温度数据接口，可以同时对不同深度的土壤温度进行测试并记录数据；流量计采用数字流量计，配合电磁阀，流量大小由电脑指令电磁阀进行调节；电力计量表也采用数字电表，配合变频器调节输出功率；这些感应器所测试的数据均即时发送到微电脑系统中；
5、微电脑系统，这也是本次设备升级的重大改进，首先，微电脑的硬件配置在主板、CPU、内存、存储容量等方面选择运行速度快、系统运行稳定的配置；微电脑搭载安卓系统，以增强设备的兼容性，这将有利于热响应测试仪器与其他终端的数据交换，在安卓的生态中开发软件也相对容易。无论是智能控制，还是远程操作，数据传输都更容易实现；
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图二 热响应测试仪器升级设计图
热响应测试仪器升级版预期评估
按照热响应测试仪器的升级方案组装制作的仪器，将对热响应测试工作产生以下几方面的改进：
1、由于组成仪器各个组件均采用高端配置，测试仪器在运行过程中将会更加稳定，减少外部电力和环境气候波动对设备运行所产生的影响，减少设备故障发生率，测试数据的精度得到大幅度提高，测试过程中的系统误差从目前的0.5℃降低到0.1℃以内；
2、测试仪器的智能化使得测试工作更加便捷，测试工作实现了远程控制，以及数据远程传输，测试工作跟平时生活中操作手机的方式基本一致，极大地减轻测试工作的工作强度，并增加测试工作的趣味性；
3、由于实现了多点测试，理论上200米以内，温度感应器设置数量可以达到30个，可以对不同深度的地埋管内和地埋管外地层的温度同时进行测试并记录。这可以满足科研人员和暖通设计人员更多的测试需求。
升级改进的意义
时代在进步，科技在发展，我们的生活的方方面面在不断的推陈出新，手机、电脑、电视、汽车以及电饭煲、洗衣机、电冰箱等均进入了智能时代，热响应测试仪器作为科研和生产的重要测试设备也同样应该与时俱进。
本升级方案系笔者在参与测试工作的实际应用中通过对设备的研究分析，以及对大量新的产品技术资料的查阅和总结形成的方案。笔者相信，通过此升级方案制作的热响应测试仪器，将可以更详细地分析不同测试点的温度变化规律和热交换功率的差异，这将为浅层地温能的研究提供更多的方法和手段，必将能够推动浅层地温能的理论研究并产生一批新的科研成果。对于浅层地温能的研究、开发和利用具有重大的意义。
参考文献：
DZ/T0225-2009,浅层地热能勘查评价规范[S]
GB 50366-2005,地源热泵系统工程技术规范[S]
GB/T11615-2010,地热资源地质规范[S]
杜建国，2013,江苏泰州城市规划区浅层地热能特征及其开发利用，地质学刊（2013）04
第一作者简介：杨晓辉（1967.07.06 ），男，汉族，江苏高邮人，本科，工程师。主要从事区域地质、矿产勘查及其研究工作。E-mail：297262331@qq.com。
论文作者:杨晓辉,金鹏,祁超,金志鹏,张斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/14
标签：测试论文; 地温论文; 系统论文; 测试仪器论文; 设备论文; 浅层论文; 工作论文; 《基层建设》2019年第32期论文;