CN101266198A - 地源热泵换热器传热性能测试装置及其测控方法 - Google Patents

Abstract

地源热泵换热器传热性能测试装置及其测控方法涉及暖通空调工程技术领域的地源热泵换热器传热性能测试装置及其测控软件系统。该装置包括管路和测试装置的电路两部分；电加热与热泵装置包括循环水泵、电加热器、涡旋压缩机、变频压缩机、板式换热器、风冷冷凝器、风机、变频器流量控制系统、可控硅调控系统及各种接触器、继电器控制器件；数据采集装置包括6个温度传感器、2个压力传感器、2个流量传感器、温度采集模块、压力流量采集模块、数字量输出模块和模拟量输出模块。本发明还公开了所述的基于LabVIEW程序语言开发的地源热泵换热器传热性能测试装置的测控软件系统。

Description

地源热泵换热器传热性能测试装置及其测控方法

技术领域

本发明涉及暖通空调工程技术领域的地源热泵换热器传热性能测试装置及其测控软件系统。

背景技术

利用以地表土或水源作为冷/热源的地源热泵为建筑物进行供热制冷，已经成为近年来国内外建筑节能的技术热点。而地源换热器的传热性能和运行可靠性又是这类节能技术成功与否的关键。由于地表的地质构成、水文特性、物理特性等方面参数各不相同，相应的传热性能就会随之改变，因此在不同地区埋设的地源换热器的传热性能就会不同。从事地源换热器设计，特别对大型工程来说，仅仅开展理论研究或实验室传热试验研究是不够的、不可靠的，因此美国等发达国家在技术标准中明确规定，把在施工现场进行地源换热器的实地试验研究作为工程可行性研究和工程设计的前提条件。

然而，目前在国内，能提供地源换热器的传热性能的测试的设备较少，并且还存在着以下不足：不能同时模拟散热与取热两种工况；不能实现对制冷与制热容量大小的方便调节；已开发的装置对于测量与控制过程、数据存储、数据分析还没有完全实现自动化，因此给测量带来了不便并难以保证测量的精度，可能给工程设计带来误差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，开发了地源换热器传热性能测试装置，可对各种地源换热器进行散热与取热实验，并以LabVIEW语言开发的软件为测控平台，可以实现对循环水泵、电加热器、压缩机的功率调节，测试过程自动扫描、存储并可动态显示数据。对于存储的数据通过LabVIEW编写的专门程序，转化为测试数据的过程曲线，实现了测量与控制的自动化，大大提高了测量精度，可为工程设计提供可靠的依据。

本发明采用如下技术方案：

该装置包括管路和测试装置的电路两部分；在该测试装置的电路中，可控硅的电压信号信号输出端与后置加热器信号输入端连接，可控硅的控制信号端与模拟量输出模块的第十一通道相连接；变频器的频率输出端与循环水泵供电端连接，变频器的模拟量控制信号输入端与模拟量输出模块的通道第十二通道相连接；热泵系统的数字信号热泵开关量输入端、数字信号涡旋压缩机开关量输入端、数字信号变频压缩机开关量输入端分别与数字量输出模块的第十五通道、第十六通道、第十七通道相连接；前置加热器中的4kW加热器开关量信号输入端、2kW加热器开关量信号输入端分别与数字量输出模块的第十三通道、十四通道相连接；温度采集模块、压力流量采集模块、数字量输出模块和模拟量输出模块的通信端分别通过RS485总线与上位机连接；在该装置的管路中，循环水泵的输出端接入分水器的水输入端，分水器的两个水输出端分别通过第一换热器、第二换热器和过滤器接入集水器，集水器的输出端接前置加热器的输入端，前置加热器出水端接热泵系统的进水端，热泵系统出水端接后置加热器的进水端、后置加热器的出水端连接循环水泵的进水端。

上述地源热泵换热器传热性能测试装置的测控软件系统，包括机组运行状态监测与控制系统和数据库与数据分析系统，所述机组运行状态监测与控制系统基于LabVIEW语言开发，由前面板和程序框图两部分组成，所述前面板提供用户操作界面，用于在测试过程中通过所述上位机的显示器动态显示温度、流量、压力数据，所述程序框图用于实现监测与控制过程，所述监测与控制过程具体包括如下步骤：

该测试装置的运行状态监测与控制系统上位机的显示器动态显示温度、流量、压力数据，其监测与控制、数据采集、运行保护过程具体包括如下步骤：

第一步：系统初始化，测试开始时，首先连接好机组与换热器管道，然后从补水箱对系统加水，充满整个换热器管道，开启循环水泵开关进行排气，通过机组控制柜，将循环水泵频率设为手动，实验进行几个小时后，补水箱液面恒定，控制柜的压力表读数趋于稳定，此时可认定管道内空气已被排除完毕，可以开始正式测试；

第二步：模式选择，选择夏季工况或冬季工况测试模式；

第三步：不同工况测试；

A.在夏季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

A1)设定测试工况，模拟夏季制冷工况，进行散热实验；

A2)开启电加热器和循环水泵；

A3)设定电加热器和循环水泵参数；

A4)测试并存储数据；

A5)检测测试装置出水温度是否达到要求，如果未达到，则调整电加热器功率并回到上面第A4)步，如果达到，则进入下一步；

A6)判断测试进行时间，持续48小时后，结束散热测试；

B.在冬季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

B1>开启热泵系统；

B2>设定热泵系统温度，调节变频压缩机开关和频率；

B3>测试并存储数据；

B4>检测热泵系统出水温度是否高于安全最小值，如果不是，则调整电加热器功率并回到上面第B3>步，如果是，则进入下一步；

B5>判断测试进行时间，持续48小时后，结束取热测试。

所述数据存储与分析系统也应用LabVIEW语言编写程序，程序将数据存储为二进制文件，节省大量的硬盘空间。数据分析系统还包括一Circle Buffer程序，该程序在测试数据处理过程中将历史数据读取到所述上位机的内存，并通过所述前面板显示，实现对不同的曲线进行不同的操作。

测试装置包括电加热与热泵装置和数据采集装置，电加热与热泵装置中电加热器包括2KW前置加热器与4KW后置加热器及12KW后置加热器。模拟制冷工况时，开启电加热器，向地下排热。后置加热器可通过可控硅对其功率在0～12kW之间进行调节，从而加热功率可在0～18kW之间进行调节。模拟制热工况时，开启热泵装置，从地下取热，通过选择开启涡旋压缩机、变频压缩机可实现制热容量调节。

机组运行状态监测与控制系统是基于LabVIEW语言开发的，测量与控制软件平台由前面板和程序框图两部分组成。机组开启运行后，模拟夏季制冷即进行取热实验时，通过界面操作，可对变频器加4～20mA的电流，从而使水泵功率在0～1kW之间变化，起到对流量的调节作用。还可对可控硅加4～20mA电流，使其功率在0～12kW之间变化，另外点击开关可使4kW与2kW加热器有选择性地打开，使机组加热功率在0～18kW之间变化。模拟冬季制热即取热实验时，关闭电加热器，触动热泵开关，并根据负荷状况，有选择性地打开涡旋压缩机与变频压缩机，可实现制热容量调节。在程序中，通过两个流量传感器之和与设定值比较，可判断机组运行是否正常，当机组运行出现故障时，两流量传感器之和小于设定值，机组可自动停机保护，避免加热器干烧和压缩机空运转。程序界面可以动态显示各状态点参数，自由设置扫描间隔与存储时间长度，点击随时查看过程数据曲线包括温度、流量、压力等。

数据存储与分析系统，应用LabVIEW编写程序。由于实验时间较长，数据量很大，运用LabVIEW编写的程序将数据存储为二进制文件，节省大量的硬盘空间。待实验完成后，用LabVIEW编写数据解读程序，翻译成直观的数据曲线图表。在数据处理过程中，需要对不同的曲线做不同的操作，这在传统的图表中是很难完成的。本发明通过使用一个Circle Buffer读取历史数据到内存来实现。该软件可显示所存储的任意时刻的温度、流量、压力数据等，并可对任一通道的数据做各种数据处理。并可将传感器校正的回归函数写入解读程序，从而实现高精度测量。

本发明以地源热泵换热器传热性能测试装置为依托，以LabVIEW语言开发的软件为平台，使用RS485通信总线实现软件与硬件通信，通过软件控制硬件，并通过软件实现数据自动存储与分析。

有益效果：

1.测试装置运行安全可靠，实现了地源热泵换热器传热性能测试中测量控制过程、数据处理过程的集成统一，容量调节方便，高度自动化，提高了测试精度，为工程设计提供可靠依据。在提倡建筑节能的今天，为大力推广地源热泵的应用，走出一条产业化之路提供了根本保障。

2.机组运行状态监测与控制系统可以动态显示各状态点参数，自由设置扫描间隔与存储时间长度，点击随时查看过程数据曲线包括温度、流量、压力等，实现了自动监控，监控方便，提高了工作效率。

3.数据存储与分析系统运用LabVIEW编写的程序将数据存储为二进制文件，节省大量的硬盘空间。数据解读程序模块能将测试数据翻译成直观的数据曲线图表，并通过使用一个Circle Buffer读取历史数据到内存来实现对不同的曲线进行不同的操作，监控与分析数据方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1为本发明地源热泵换热器传热性能测试装置示意图。

其中有：热泵系统a、后置加热器b、溢水管c、补水管d、前置加热器e、集水器f、分水器g、过滤器h、可控硅i、变频器j、循环水泵k，上位机m。

图2为热泵系统示意图。

其中有：涡旋压缩机18、风冷冷凝器19、风机20、变频压缩机21、板式换热器22、电磁膨胀阀23，继电器开关24。

图3为机组运行状态监测与控制系统监测与控制流程图。

图4为存储数据的处理结果(散热时的温度曲线)。

图5为存储数据的处理结果(取热时的温度曲线)。

图6为存储数据的处理结果(流量曲线)。

具体实施方式

如图1所示，本发明的地源热泵换热器传热性能测试装置包括电加热与热泵装置和数据采集装置。电加热与热泵装置包括循环水泵、电加热器、涡旋压缩机、变频压缩机、板式换热器、换热器I、换热器II、风冷冷凝器、电磁膨胀阀、风机、变频器j、可控硅i及若干固态继电器。变频器与循环水泵连接。电加热器包括前置加热器e和后置加热器b，前置加热器包括2KW、4KW两个前置加热器，后置加热器为0～12KW，两个前置加热器分别连接有固态继电器，后置加热器与可控硅连接。数据采集装置包括6个温度传感器PT100温度传感器、2个压力传感器、2个涡轮流量传感器、I-7015型温度采集模块A、I-7017C型压力流量采集模块B、I-7055型数字量输出模块C和I-7024型模拟量输出模块D。6个温度传感器分别设置在换热器I的出口点和进口点、换热器II的出口点和进口点以及循环水泵K的进口点与环境温度，2个压力传感器分别设置在靠近集水器f的供水管和回水管上，2个流量传感器分别设置在换热器I、换热器II的出口管上。该装置包括管路和测试装置的电路两部分；在该测试装置的电路中，可控硅i的电压信号信号输出端i2与后置加热器b信号输入端连接，可控硅i的控制信号端i1与模拟量输出模块D的第十一通道11相连接；变频器j的频率输出端j2与循环水泵k供电端连接，变频器j的模拟量控制信号输入端j1与模拟量输出模块D的通道第十二通道12相连接；热泵系统a的数字信号热泵开关量输入端a3、数字信号涡旋压缩机开关量输入端a2、数字信号变频压缩机开关量输入端a1分别与数字量输出模块C的第十五通道15、第十六通道16、第十七通道17相连接；前置加热器e中的4kW加热器开关量信号输入端e1、2kW加热器开关量信号输入端e2分别与数字量输出模块C的第十三通道13、十四通道14相连接；温度采集模块A、压力流量采集模块B、数字量输出模块C和模拟量输出模块D的通信端分别通过RS485总线与上位机连接；在该装置的管路中，循环水泵k的输出端接入分水器g的水输入端，分水器g的两个水输出端分别通过第一换热器I、第二换热器II和过滤器h接入集水器f，集水器f的输出端接前置加热器e的输入端，前置加热器e出水端接热泵系统的进水端a4，热泵系统a出水端a5接后置加热器b的进水端、后置加热器b的出水端连接循环水泵k的进水端。

热泵系统示意图如图2所示。热泵系统由涡旋压缩机1、变频压缩机2、板式风冷冷凝器3、热力膨胀阀4、板式换热器5组成。

图3为机组运行状态监测与控制系统系统监测与控制流程图。机组运行状态监测与控制系统基于LabVIEW语言开发，由前面板和程序框图两部分组成，前面板提供用户操作界面，用于在测试过程中通过所述上位机的显示器动态显示温度、流量、压力数据，程序框图用于实现监测与控制过程。监测与控制过程具体包括如下步骤：

第一步：系统初始化，测试开始时，首先连接好机组与换热器管道，然后从补水箱(也是溢水箱)对系统加水，充满整个换热器管道，开启循环水泵开关进行排气，通过机组控制柜，将循环水泵频率设为手动，频率为50Hz，实验进行几个小时后，补水箱液面恒定，控制柜的压力表读数趋于稳定，此时可认定管道内空气已被排除完毕，可以开始正式测试；

第二步：模式选择，选择夏季工况或冬季工况测试模式；

第三步：不同工况测试；

A.在夏季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

1)设定测试工况，模拟夏季制冷工况，进行散热实验；

2)开启电加热器和循环水泵；

3)设定电加热器和循环水泵参数；

4)测试并存储数据；

5)检测测试装置出水温度是否达到要求，如果未达到，则根据控制算法调整电加热器功率并回到上面第4)步，如果达到，则进入下一步；

6)判断测试进行时间，持续48小时后，结束测试；

B.在冬季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

1>开启热泵系统；

2>设定热泵系统温度，调节变频压缩机开关和频率；

3>测试并存储数据；

4>检测热泵系统出水温度是否高于安全最小值，如果不是，则调整电加热器功率并回到上面第3>步，如果是，则进入下一步；

5>判断测试进行时间，持续48小时后，结束测试。

LabVIEW是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它将软件与各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。LabVIEW是一种用图标代替文本创建应用程序的编程语言。传统文本语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中接点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。本发明中的软件平台，充分发挥LabVIEW语言的优势，实现了状态监控、数据存储、数据处理的自动控制与集成统一。本例中用LabVIEW编写的程序两个，一个用于数据采集、过程监测与控制；另一个用于数据存储与分析，转化为可视的过程数据曲线，程序前面板可参见图4、5(温度)、图6(流量)的示意。

应用本测试装置可进行取热与散热两种工况实验，不受季节限制。设计温度区间为5～50℃。为了满足不同流速和不同口径管道的测试需要，该装置配置了变频器驱动的高压水泵，能够为DN25和DN32换热器提供0.4～3m/s的流速的稳定的循环水流。48小时一般认为是最小的测试周期。时间越长，拟合得到的导热系数越小，土壤热阻越大，实际计算得到的打井数量越多，从而保证系统运行安全可靠性。

测试一般先模拟夏季制冷工况，进行散热实验。将水泵频率设为自动，在程序主界面中，可对变频器加4～20mA的电流，经程序翻译成通信指令，模拟量输出模块D接到指令后，转换的信号送给变频器，变频器与循环水泵相连，对水泵供电频率进行调节，水泵转速随频率改变而改变，从而使水泵功率在0～1kW之间变化，实现了环路中对流量的调节。另外，调节环路中的阀门也可以对流量进行调节。同样道理，在程序主界面中，给可控硅加4～20mA的电流，模拟量输出模块D接收到信号后经转换，送给可控硅，可控硅对后置加热器的加热电压进行调节，从而使后置加热器功率在0～12kW之间变化。实验前，对单位管长换热量进行估计，根据总管长，确定加热量大小。根据加热量大小的不同情况，可选择性开启4kW与2kW加热器。实验进行48小时后，可以结束散热实验。将可控硅输入电流变为4mA，关闭两个前置加热器。

接下来，开始取热实验。将控制柜上的热泵模式开关打开，调为制冷。在程序界面中，打开HP即热泵开关，风机转动起来。根据取热量大小，可选择是打开涡旋压缩机或变频压缩机或两个都打开。实验进行一段时间后，若为地埋管，则换热器周围温度场会发生变化，有可能导致进入板式换热器的循环水温度较低，出口温度更低(如低于2℃)，这样会使蒸发温度较低，热泵系统效率下降，此时可通过可控硅，开启部分加热器功率。取热实验开始48小时后，可以关闭整个系统，结束测试。

系统该程序每隔一定时间对所有传感器、控制器进行自动扫描，完成数据库存储，并将存储的数据放在硬盘的指定文件夹下。实验结束后，可将存储的数据通过程序转换为直观的曲线图表，如图4、5、6所示。

下面以一个工程为例，考虑散热工况，阐述整个测试过程。埋管的相关数据如下：

表1地埋管施工与安装数据

通过专门Circle Buffer程序，该程序在实验结束后在指定文件夹下将二进制形式的历史数据文件读取到所述上位机的内存，并通过所述前面板显示的图4、5、6的温度与流量曲线，从而确定各点的温度值与流量值。然后依据依据相关公式，及埋管的有关数据，可以得到单位井深换热量这一工程设计的重要参数。

表2地埋管垂直段的散热测试性能

表3地埋管垂直段的取热测试性能分析

从表中我们可以看出，得到了单位井深换热量这一重要参数，依据相关理论进一步推理还可以得到岩土热物性等其它相关参数。

Claims (2)

1.一种地源热泵换热器传热性能测试装置，其特征在于该装置包括管路和测试装置的电路两部分；在该测试装置的电路中，可控硅(i)的电压信号信号输出端(i2)与后置加热器(b)信号输入端连接，可控硅(i)的控制信号端(i1)与模拟量输出模块(D)的第十一通道(11)相连接；变频器(j)的频率输出端(j2)与循环水泵(k)供电端连接，变频器(j)的模拟量控制信号输入端(j1)与模拟量输出模块(D)的通道第十二通道(12)相连接；热泵系统(a)的数字信号热泵开关量输入端(a3)、数字信号涡旋压缩机开关量输入端(a2)、数字信号变频压缩机开关量输入端(a1)分别与数字量输出模块(C)的第十五通道(15)、第十六通道(16)、第十七通道(17)相连接；前置加热器(e)中的4kW加热器开关量信号输入端(e1)、2kW加热器开关量信号输入端(e2)分别与数字量输出模块(C)的第十三通道(13)、十四通道(14)相连接；温度采集模块(A)、压力流量采集模块(B)、数字量输出模块(C)和模拟量输出模块(D)的通信端分别通过RS485总线与上位机连接；在该装置的管路中，循环水泵(k)的输出端接入分水器(g)的水输入端，分水器(g)的两个水输出端分别通过第一换热器(I)、第二换热器(II)和过滤器(h)接入集水器(f)，集水器(f)的输出端接前置加热器(e)的输入端，前置加热器(e)出水端接热泵系统(a)的进水端(a4)，热泵系统(a)出水端(a5)接后置加热器(b)的进水端、后置加热器(b)的出水端连接循环水泵(k)的进水端。

2.一种如权利要求1所述的地源热泵换热器传热性能测试装置的测控方法，其特征在于该测试装置的运行状态监测与控制系统上位机(m)的显示器动态显示温度、流量、压力数据，其监测与控制、数据采集、运行保护过程具体包括如下步骤：

第一步：系统初始化，测试开始时，首先连接好机组与换热器管道，然后从补水箱对系统加水，充满整个换热器管道，开启循环水泵开关进行排气，通过机组控制柜，将循环水泵频率设为手动，实验进行几个小时后，补水箱液面恒定，控制柜的压力表读数趋于稳定，此时可认定管道内空气已被排除完毕，可以开始正式测试；

第二步：模式选择，选择夏季工况或冬季工况测试模式；

第三步：不同工况测试；

A.在夏季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

A1)设定测试工况，模拟夏季制冷工况，进行散热实验；

A2)开启电加热器和循环水泵；

A3)设定电加热器和循环水泵参数；

A4)测试并存储数据；

A5)检测测试装置出水温度是否达到要求，如果未达到，则调整电加热器功率并回到上面第A4)步，如果达到，则进入下一步；

A6)判断测试进行时间，持续48小时后，结束散热测试；

B.在冬季工况测试模式下，具体包括以下步骤：

B1>开启热泵系统；

B2>设定热泵系统温度，调节变频压缩机开关和频率；

B3>测试并存储数据；

B4>检测热泵系统出水温度是否高于安全最小值，如果不是，则调整电加热器功率并回到上面第B3>步，如果是，则进入下一步；

B5>判断测试进行时间，持续48小时后，结束取热测试。

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