鸿鸥成运高精度岩土热响应测试仪系统研制与工程验证

【资料简介】

鸿鸥成运高精度岩土热响应测试仪系统研制与工程验证

摘要

岩土热响应测试是地埋管地源热泵系统设计的核心原位试验手段，仪器硬件精度直接决定浅层地热项目设计可靠性。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发新一代岩土热响应测试系统，设备实现六档分级加热功率输出（2kW、2kW、2kW；3kW、3kW、3kW）；关键指标：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，适配最大测试钻孔深度300m。系统集成组态触控显示屏，支持本地U盘数据导出，同时具备云平台远程监测、数据远传提取，具备断电记忆功能；传感器全套可提供计量检定证书。本文阐述整机硬件架构、采集模块、加热单元、存储远传单元；介绍标准化野外作业流程；通过多组现场工程试验，验证仪器可稳定采集实时流量、埋管进出口温度、平均加热功率、实时电功率、累积耗电量；配套带加密锁不可修改开源解析软件，输出岩土综合导热系数、岩土容积比热容、热扩散率、岩土初始温度，并且实现单位延米换热量推演。工程实践表明该设备抗野外工地干扰能力强，满足单U、双U地埋管工程检测需求，为国内浅层地热能勘察提供国产化装备支撑。

关键词：地源热泵；岩土热响应测试仪；鸿鸥成运；地埋管换热器；热物性参数；云平台远传；原位测试

0 引言

在双碳政策大背景之下，地埋管地源热泵作为清洁可再生能源技术，在公共建筑、住宅供暖供冷项目得到大规模推广应用。地埋管换热器换热能力取决于地层岩土热物性，岩土综合导热系数、容积比热容、初始地温等参数是地埋管钻孔数量、埋管深度设计的核心依据。获取上述参数可靠手段为现场岩土热响应原位测试。

现阶段国内市场热响应测试设备质量参差不齐，部分设备温度、流量采集精度不足，加热档位少，数据存储能力弱，缺少远程监测手段；部分配套解析软件可随意篡改算法参数，检测结果公信力不足。进口设备价格昂贵，售后响应周期长，难以适配国内复杂野外施工工况。

针对行业现存痛点，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司开发国产化新一代岩土热响应测试系统，从硬件采集、分级加热、数据存储远传、加密解析软件全链条完成开发。本文对整套系统硬件架构、技术指标、现场作业流程、工程实测案例开展系统研究。

1 国内热响应测试装备发展现状

国内热响应测试技术引入已有二十余年，大量设备投入工程项目使用。传统测试设备普遍存在几点短板：第一，加热功率档位数量少，仅2‑3档功率输出，面对80‑300m跨度不同深度钻孔，功率匹配灵活性不足；第二，传感器精度参差不齐，温度测量误差部分设备达到±0.5℃以上，流量误差大于2%，误差逐级传递，造成岩土导热系数计算偏差超过15%；第三，数据存储模式单一，大多只具备本地存储，无云端远传功能，野外试验需要人员长期现场值守，断电极易造成试验数据全部丢失；第四，解析软件管控缺失，软件无加密保护，试验人员随意修改计算参数，人为干预输出结果，第三方检测场景风险突出。

近些年国内设备厂商逐步推进国产化升级，但是同时兼顾高精度多档位加热、本地+云端双存储、硬件加密解析软件的成套装备仍然较少。北京鸿鸥成运研制的热响应测试仪针对上述短板完成针对性优化。

2 鸿鸥成运热响应测试仪整机系统设计

整套系统主要由加热单元、流量温度采集单元、电功率积算单元、组态触控采集主机、水路承压管路、云传输模块、配套解析软件七大模块组成。

2.1整机技术指标与精度体系

设备核心技术指标严格按照地源热泵相关测试规范执行：输入电压稳定条件下加热功率测量误差≤1%；流量测量误差≤±1%；温度测量误差≤±0.2℃；仪器承压≥0.6MPa，最大适配测试深度300m；数据记录间隔可自由设定，最短记录周期小于10min；具备断电记忆；全套仪表支持出具计量检定证书。所有传感器出厂完成校准，保障原始数据溯源性。

2.2分级电加热功率模块设计

加热单元由六组独立加热组件构成，分为三组2kW加热模块、三组3kW加热模块，可实现多档位自由组合。针对浅孔、中深孔、300m大深度钻孔灵活匹配加热负荷，满足规范50‑80W/m孔深热负荷要求。系统配置热量积算仪，对地埋管实际施加热量完成积算统计，区别简单电功率统计，降低电压波动带来的热量统计偏差。

2.3温度‑流量‑电功率采集单元

温度传感器采集埋管进水温度、出水温度；流量传感器采集循环回路实时流量；电功率采集模块同步采集实时电功率、平均加热功率以及累积耗电量。全部模拟信号经过隔离处理，降低工地现场变频器、大功率设备带来电磁干扰，保障野外工况数据稳定。

2.4本地存储+云端远传、断电记忆功能实现

设备搭载组态触控屏，人机交互界面简洁，现场可直接读取全部实时试验参数。数据记录时间间隔现场可设置，支持短周期高频采集。具备断电记忆功能，现场意外断电之后，恢复供电可接续记录，不会丢失历史试验数据。数据存储具备双路径：其一本地U盘导出全部原始试验数据；其二4G云平台远传，远程电脑、手机端可实时监测试验状态，远程提取试验数据，降低野外值守压力。

2.5硬件承压、适配单U/双U埋管接口

设备水路承压不低于0.6MPa，管路接口兼容工程常用De25单U、De32双U地埋管，满足绝大多数竖直地埋管换热试验。管路内部配置排气结构，降低气泡对流量测量的干扰。

3 仪器标准化野外测试作业工艺

3.1场地布置、防雨防护、电源匹配

野外试验场地优先选择距离测试钻孔较近平整场地，主机做好防雨遮阳防护，避免雨水淋入电控柜体。供电电源功率需要匹配加热总功率，电压波动过大场地建议配置稳压装置，保障加热功率稳定输出。

3.2管路连接、系统排气、保温施工

完成设备与地埋管管路对接之后，对整个循环管路充分排气，管路气泡是流量失真最主要诱因。供回水管路外部增加保温层，减少环境散热带来试验误差。

3.3初始地温采集、加热试验、数据导出操作

正式加热试验启动前，先完成岩土初始温度采集。开启加热模块，按照钻孔深度选择合适加热档位，设备自动按照设定间隔记录流量、温度、功率、耗电量全部参数。试验结束，可现场U盘导出，也可云端后台下载原始数据集。

4 现场工程实例验证

4.1试验钻孔概况

选取华北地区某地源热泵项目220m深度双U地埋管钻孔开展现场测试，地层主要为砂土、卵石层。项目需要获取岩土热物性参数，指导建筑地埋管系统设计。

4.2整套试验过程与原始数据

设备接入现场钻孔管路，完成排气保温，设置数据记录间隔5min。先采集初始地温，随后开启加热，选择合适功率档位，连续开展72h热响应试验。全过程设备稳定采集实时流量、进水温度、出水温度、平均加热功率、实时电功率、累积耗电量。云平台同步远程查看试验曲线，及时发现管路微小异常。试验全程无断电丢数现象。

4.3岩土热物性参数反演计算结果

将原始测试数据集导入配套加密锁解析软件，输出岩土综合导热系数2.41W/(m·K)，岩土容积比热容2.12×10⁶J/(m³·K)，热扩散率1.14×10⁻⁶m²/s，岩土初始温度14.3℃，同时完成单位延米换热量推演计算。整套参数输出结果符合该区域地层经验范围。

5 设备运行稳定性分析

本次工程试验全过程，温度波动控制在±0.2℃测量精度区间，流量数据曲线平滑，无剧烈跳变。断电记忆功能模拟测试，人为切断设备电源，再次上电，历史数据完整保留，接续记录试验。云平台传输稳定，野外工地4G信号一般条件下，数据上传无明显丢失。六档加热模块切换正常，功率输出稳定。工程案例证明整套设备可以适应国内野外复杂测试环境。

6 结论与工程应用建议

北京鸿鸥成运岩土热响应测试系统，硬件精度、加热档位配置、双模式数据存储、断电记忆、云远传、加密解析软件一体化设计，能够完成最大300m竖直地埋管原位热响应测试。设备可以完整采集规范要求全部试验数据，输出全套岩土热物性参数以及延米换热量推演结果。

工程应用中建议：试验前期充分排气，管路做好保温；供电条件较差工地配置稳压电源；优先采用计量检定完成之后传感器开展检测工作；第三方检测项目优先使用加密锁解析软件，避免人为篡改计算过程。该国产化装备可以为浅层地热能勘察、地源热泵工程设计提供可靠技术支撑。

参考文献

[1] GB 50366‑2005，地源热泵系统工程技术规范[S].

[2] 王贵玲.浅层地热能勘查评价技术要求[M].北京:地质出版社,2021.

 

 

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

 

 

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