六档分级可调加热功率热响应测试系统关键技术研究

【资料简介】

六档分级可调加热功率热响应测试系统关键技术研究

摘要

热响应测试规范要求单位孔深加热负荷50‑80W/m，不同钻孔深度，需要匹配对应加热功率。传统设备功率档位少，大深度钻孔、浅孔试验适配性差。北京鸿鸥成运岩土热响应测试仪设计六档独立可调加热模块：2kW×3档、3kW×3档，可自由组合输出总加热功率；在输入电压稳定条件下加热功率测量误差≤1%。本文介绍多档位加热硬件电路、积算热量采集方案；分析电压波动对输出功率的干扰；分析功率过低、功率过高两类工况带来的试验缺陷；依托120‑280m多组工程钻孔，开展不同档位加热现场试验；给出不同钻孔深度推荐功率组合方案。试验证明六档分级加热方案，能够兼顾浅孔、大深度300m钻孔测试需求，提升野外试验的数据可靠性。

关键词：岩土热响应测试；六档加热功率；积算仪；地埋管；电压波动；单位延米热负荷

0 引言

岩土热响应测试的核心原理就是向地埋管回路施加稳定热负荷，采集温度流量时序数据反演地层热物性。加热功率的选取是否合理，直接关系整套试验成败。加热功率过小，埋管进出水温差偏低，温度采集的相对误差被放大；加热功率过大，钻孔周边岩土温升剧烈，偏离线热源理论模型假设，造成解析结果失真。

国内大量早期热响应测试设备，加热模块仅设置2‑3个档位，功率调节梯度大。面对80m浅孔、200‑300m大深度钻孔，很难选到加热负荷。部分现场只能依靠大功率档位硬匹配，带来试验数据质量下降。针对该行业痛点，北京鸿鸥成运仪器设备开发六档独立加热单元，三组2kW与三组3kW加热组件相互独立，实现功率灵活组合，同时配置热量积算仪完成实际施加热量统计，降低电压波动带来的计量偏差。本文针对该加热系统开展系统研究。

1 热响应测试加热功率理论依据

按照JGJ/T 438‑2018地源热泵热响应测试相关标准，单孔加热热负荷宜控制在50～80W每米钻孔深度。以150m钻孔为例，合理加热总功率7.5‑12kW；280m深度钻孔，合理加热功率14‑22.4kW。

浅孔如果使用大功率加热，孔壁附近岩土温度急剧抬升，打破线热源无限大介质基本假设；功率不足，进出水温差小，温度传感器固有误差对结果影响被放大。因此设备需要具备足够细密的功率调节档位，适配不同孔深工况。

电功率不等于地层实际接收热量，现场电网电压波动会直接改变电加热元件实际输出热量。单纯采集电功率会引入误差，因此系统配置积算仪对地埋管实际施加热量进行统计计算，区分电力电功率与热力学平均加热功率。

2 六档分级加热系统硬件架构（鸿鸥成运设备）

2.1加热单元组成，功率组合逻辑

整机加热单元包含6路相互独立的加热支路，3路额定2kW、3路额定3kW。各路可以单独投切开启、关闭，实现多梯度总功率输出。最小输出2kW，多支路叠加，最大总输出15kW。可根据钻孔深度灵活选配：80‑120m浅孔优先选用2kW档位组合；150‑200m中深度孔混合2kW、3kW；200‑300m大深度钻孔多组3kW模块联合工作。

2.2热量积算采集实现原理

系统搭载专用热量积算仪，采集回路流量、进出水温度信号，实时计算向地埋管施加的热力学热量，输出平均加热功率；同时独立采集电力侧实时电功率、累积耗电量。两套数据并行记录，方便后期对比校验。当电网电压发生小幅波动，积算仪以介质侧实际热量作为统计基准，弱化电压波动带来的计量偏差。在输入电压稳定工况下，整机加热功率测量误差≤1%。

2.3电压波动下功率补偿机制

野外工地供电条件参差不齐，施工现场电压容易出现±10%区间波动。纯电阻加热元件输出功率与电压平方成正比，电压下降会直接造成加热功率衰减。设备硬件增加电压监测模块，实时采集供电电压，在组态屏上提示电压异常。当电压偏离额定区间，提示现场接入稳压设备，保障热负荷稳定输出。

3 功率选取不当带来试验风险分析

3.1功率偏低：供回水温差小，相对误差放大

加热总功率选取过低，埋管进出水温差只有2‑3℃。设备温度传感器固有误差±0.2℃，此时绝对误差占温差占比很高。微小的温度采集噪声，就会造成换热量计算大幅度震荡，反演得到的岩土导热系数离散性大，试验重复性变差。

3.2功率过高：岩土近场温升过大偏离线热源模型

加热功率过大，钻孔周边小范围岩土短时间内温度剧烈升高。线热源模型假设条件为微小热扰动，过大热负荷会造成近场岩土温度场畸变，后期软件解析计算结果偏离地层真实热物性。即便传感器精度全部达标，依旧得到错误参数。

4 多深度钻孔现场对比试验

选取三组不同深度工程钻孔开展对比试验：A孔110m，B孔180m，C孔260m，均为双U地埋管。

A孔110m，选用两组2kW加热，总功率4kW；B孔180m选用2kW+3kW+3kW合计8kW；C孔260m采用三组3kW合计9kW。三组试验全程电压保持稳定，记录热力学平均加热功率、实时电功率，采集流量温度完整序列。

试验结果：浅孔小功率工况，进出水温差维持4.2‑5.1℃；中深孔、深孔工况温差稳定5‑7℃区间，全部落在合理试验窗口。六档模块投切切换响应迅速，各支路工作状态在组态屏实时显示。对比传统三档设备，本设备档位选择空间更大，更容易匹配规范推荐50‑80W/m热负荷区间。

5 不同钻孔深度功率匹配推荐表

80‑120m：优先2kW×2～3档；

120‑180m：2kW与3kW混合组合；

180‑240m：3kW×2～3档；

240‑300m：3kW多档位叠加，总功率控制在14‑15kW以内。

实际工程中还需要结合地层岩土类型，高导热卵石基岩地层，可适度下调单位深度热负荷。

6 野外供电配套要求

六档加热模块满负荷工作总功率可达15kW，现场供电线缆线径、空开容量必须满足总功率需求。工地电压波动大的点位，建议配置交流稳压电源。试验过程中随时观察设备屏幕电压告警提示，电压超出允许范围应当停止试验，避免加热功率漂移。

7 结论

六档分级加热硬件架构，解决传统热响应测试仪档位稀疏、功率适配性差的行业痛点。北京鸿鸥成运热响应测试仪采用三组2kW、三组3kW独立加热支路，搭配热量积算仪，区分热力学加热功率与电力电功率，电压稳定条件功率测量误差≤1%。现场工程试验证明，针对80‑300m不同深度钻孔，可以匹配符合规范的单位孔深热负荷，规避功率过低、功率过高带来的试验失效风险。设备为国内复杂地层不同深度地埋管热响应测试提供可靠硬件基础。

参考文献

[1] JGJ/T 438‑2018，地源热泵热响应测试标准[S].

[2] 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.

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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

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七、论文/标书长尾关键词

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