温度与流量测量精度对岩土热响应测试结果的影响研究

【资料简介】

温度与流量测量精度对岩土热响应测试结果的影响研究

摘要

温度、流量传感器是岩土热响应测试仪的核心感知单元，测量偏差会直接传导至岩土导热系数计算结果。北京鸿鸥成运仪器设备研制的热响应测试系统，温度测量误差控制≤±0.2℃，流量测量误差≤±1%。本文围绕传感器精度指标开展对比分析；分析温度、流量测量误差如何影响供回水温差、换热量计算；设置多组对照工况，量化不同测量误差条件下岩土导热系数、延米换热量计算偏差；论述传感器计量检定对于检测项目的必要性；同时分析野外现场管路散热、管路气泡带来的附加干扰。研究表明，温度测量误差超过±0.3℃、流量误差大于±2%，会造成导热系数计算偏差超过15%。本研究对仪器选型、现场质量管控具有参考价值。

关键词：热响应测试；温度传感器；流量传感器；测量误差；岩土导热系数；地埋管；计量检定

0 引言

岩土热响应测试依靠采集循环回路流量、埋管进出口温度，结合加热功率数据，基于线热源模型完成岩土热物性反演。整套试验链条中，传感器采集得到原始数据是一切计算的基础。温度、流量的系统测量误差，不会在计算环节自动消除，会直接传递到导热系数、延米换热量结果。

很多工程项目忽视传感器精度指标，选用低成本低精度传感组件，虽然设备整机价格降低，但是最终输出热物性参数失真，造成地埋管设计钻孔数量过多或者不足，带来项目投资浪费或者系统供暖制冷不达标。

本文基于误差传递理论，结合鸿鸥成运高精度热响应测试设备开展对照试验，量化温度、流量误差对测试结果的影响，提出设备选型与现场测试质量管控措施。

1 热响应测试数据误差传递机理

地埋管换热器单位换热量计算公式：

Q = c\cdot m\cdot \Delta t

式中： c为循环介质比热容； m介质质量流量； \Delta t埋管进出水温差。

流量测量出现偏差，直接改变循环介质总换热量；温度测量偏差改变进出水温差Δt。换热量作为核心输入条件带入线热源解析模型，进一步计算岩土导热系数。误差具备累积放大效应：当进出水温差本身数值不大的时候，微小温度绝对误差，会带来巨大相对误差。

野外现场除传感器固有系统误差之外，还存在管路气泡、管路散热、接线接触不良等附加干扰误差。两类误差叠加，进一步放大最终计算结果偏差。

2 鸿鸥成运设备传感单元技术方案与精度指标

北京鸿鸥成运热响应测试系统温度传感器测量误差≤±0.2℃；流量传感器测量误差≤±1%。传感器出厂完成标定，可提供计量检定证书，实现数据可溯源。

温度采用高精度铂电阻传感元件，多通道采集电路做隔离降噪处理，降低电磁干扰带来温度漂移。流量传感器选用适配循环水介质的测量元件，针对管路气泡干扰做算法优化，一定程度抑制气泡造成数据跳变。整套传感组件不是简单元器件拼接，整机完成系统联合校准，避免单支传感器合格，整机系统误差超标的问题。

3 温度测量误差对热物性参数的影响仿真分析

设定基准工况：岩土综合导热系数2.3W/(m·K)，模拟真实钻孔试验数据集。分别叠加±0.2℃、±0.3℃、±0.5℃温度测量误差，带入解析模型计算导热系数。

仿真结果表明：温度误差±0.2℃条件，导热系数计算偏差控制在7%以内；温度误差达到±0.3℃，计算偏差上升至12%；温度误差±0.5℃时，导热系数偏差超过20%。对于温差偏小的试验工况，温度误差造成的结果失真会进一步加剧。这也说明严格控制温度采集精度≤±0.2℃对于热响应测试十分必要。

4 流量测量误差对热物性参数的影响仿真分析

同样基准工况，分别叠加流量测量误差±1%、±2%、±3%开展仿真计算。流量误差±1%，导热系数计算偏差约6%；流量误差±2%，偏差达到13%；流量误差±3%，偏差接近19%。流量直接决定总换热量，流量正向偏大，计算得到岩土导热系数偏高，会造成地埋管设计数量偏少，后期热泵系统运行工况恶化。

5 现场对比试验研究

5.1高‑低精度传感器对照试验

同一测试钻孔，先后接入高精度传感单元（温度±0.2℃，流量±1%）与普通低精度传感器（温度±0.5℃，流量±2.5%）开展两组平行热响应测试。其余加热条件、试验时长全部保持一致。

高精度组件测试得到岩土导热系数2.35W/(m·K)；低精度组件得到结果2.84W/(m·K)，二者偏差达到20.8%。同一钻孔地层条件不变，仅仅传感器精度差异，带来参数巨大偏差，足以对工程设计形成误导。

5.2管路气泡、环境散热耦合干扰

现场试验人为引入少量管路气泡，流量数据出现高频跳动，即使传感器本身硬件精度达标，原始数据依然失真。管路保温缺失，环境散热损失，造成实测进出水温差变小，同样带来计算偏差。传感器硬件精度是基础，但是也不能忽略现场施工带来附加误差。

6 降低测量偏差的工程管控措施

第一，设备选型明确硬件精度指标，温度误差≤±0.2℃，流量误差≤±1%，拒绝只看设备价格忽略精度；

第二，传感器定期计量检定，第三方检测项目必须使用带检定证书仪器；

第三，测试作业充分排出管路内部气体；供回水管路做好完整保温；

第四，试验过程监控原始曲线，流量、温度曲线出现异常波动，及时排查故障，不要直接使用失真原始数据开展解析计算。

7 结论

温度、流量传感器精度直接决定岩土热响应测试结果可靠性。仿真与现场对照试验证明：温度测量误差超过±0.3℃，流量误差大于±2%，岩土导热系数计算偏差会突破15%。北京鸿鸥成运热响应测试仪将温度误差控制≤±0.2℃，流量≤±1%，从硬件源头抑制系统误差。同时硬件高精度不等于试验结果合格，野外施工中排气、管路保温、传感器检定等现场管控非常重要。本研究可以为仪器选型、现场检测质量管控提供参考。

参考文献

[1] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] JGJ/T 438‑2018，地源热泵热响应测试标准[S].

岩土热响应测试仪器全套行业关键词整理

一、核心设备关键词

岩土热响应测试仪；岩土热物性测试仪；地埋管热响应试验设备；鸿鸥成运；六档可调热响应主机；浅层地热能原位测试设备；地源热泵现场测试仪器

二、硬件技术参数关键词

加热功率六档可调；加热功率测量误差≤1%；流量测量误差≤±1%；温度测量误差≤±0.2℃；设备承压≥0.6MPa；最大测试深度300m；积算仪热量计算；组态触控屏；断电记忆；本地U盘存储；云平台数据远传；多时间间隔采集；计量检定证书；De25/De32地埋管适配；单U埋管；双U埋管

三、采集存储参数关键词

实时流量；埋管进水温度；埋管出水温度；平均加热功率；实时电功率；累积耗电量；原始试验数据集；数据导出；远程监测

四、输出热物性参数关键词

岩土综合导热系数；岩土容积比热容；岩土质量比热容；岩土热扩散率；岩土初始温度；单位延米换热量；钻孔热阻

五、软件算法关键词

线热源模型；圆柱热源模型；热响应解析软件；硬件加密锁；开源不可修改软件；四算法并行解析；延米换热量推演；数据反演计算

六、工程应用场景关键词

地埋管地源热泵；浅层地热能勘察；竖直U型地埋管；第三方检测；岩土原位热试验；钻孔换热试验；地源热泵系统设计；不同地层热物性测试；野外现场测试

七、论文/标书长尾关键词

热响应测试误差分析；大深度钻孔热响应试验；野外设备抗干扰；热响应测试施工工艺；传感器精度影响；国产化地热测试装备

推荐产品如下：

地源热泵温度监控系统/地源热泵测温／多功能钻孔成像分析仪／井下电视／钻孔成像仪／地热井钻孔成像仪／井下钻孔成像仪/数字超声成像测井系统/多功能超声成像测井系统/超声成像测井系统/超声成像测井仪/成像测井系统/多功能井下超声成像测井仪/超声成象测井资料分析系统/超声成像

关键词：地热水资源动态监测系统／地热井监测系统／地热井监测／水资源监测系统／地热资源回灌远程监测系统／地热管理系统／地热资源开采远程监测系统／地热资源监测系统／地热管理远程系统／地热井自动化远程监控／地热资源开发利用监测软件系统／地热水自动化监测系统／城市供热管网无线监测系统／供暖换热站在线远程监控系统方案／换热站远程监控系统方案/干热岩温度监测/干热岩监测/干热岩发电／干热岩地温监测统／地源热泵自动控制／地源热泵温度监控系统／地源热泵温度传感器／地源热泵中央空调中温度传感器/地源热泵远程监测系统/地源热泵自控系统/地源热泵自动监控系统/节能减排自动化系统/无人值守地源热泵自控系统/地热远程监测系统

地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

4.0-2000米NB型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

有此类深井地温项目，欢迎新老客户朋友垂询！北京鸿鸥成运仪器设备有限公司

关键词：地热井分布式光纤测温监测系统／分布式光纤测温系统／深井测温仪／深水测温仪／地温监测系统／深井地温监测系统／地热井井壁分布式光纤测温方案／光纤测温系统／深孔分布式光纤温度监测系统/深井探测仪/测井仪/水位监测/水位动态监测/地下水动态监测/地热井动态监测/高温水位监测/水资源实时在线监控系统/水资源实时监控系统软件/水资源实时监控/高温液位监测/压力式高温地热地下水水位计/温泉液位测量/涌井液位测量监测/高温涌井监测水位计方案/地热井水温水位测量监测系统/地下温泉怎么监测水位/ 深井水位计/投入式液位变送器 /进口扩散硅/差压变送器