CN102288312A

CN102288312A - 用于地源热泵系统的地下温度场监测系统

Info

Publication number: CN102288312A
Application number: CN2011101232125A
Authority: CN
Inventors: 王万忠; 章长松; 高世轩; 乔坚强; 王小清; 寇利; 孙婉; 魏静; 杨树彪; 孙俊杰; 袁良英
Original assignee: SHANGHAI INSTITUTE OF GEOLOGICAL ENGINEERING EXPLORATION
Current assignee: SHANGHAI INSTITUTE OF GEOLOGICAL ENGINEERING EXPLORATION
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及一种地源热泵技术领域，特别涉及一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统。包括设于地下监测井的若干单线数字温度传感器、数据采集模块及与所述数据采集模块建立有连接的服务器，所述数据采集模块通过总线耦合所述单线数字温度传感器，其特征在于：所述监测井内垂直埋设有为下端封闭之管状的保护管，所述保护管内布设所述总线及单线数字温度传感器，并填充有作为导热介质的液态耦合剂。其优点是：降低了监测系统建设成本，施工便利；实现了数字传感器在防水抗压工艺下耐压达3MPa以上可以长期进行运行；各个孔采用了转换模块，组网简单便利，新型的监测井实现了后期可进行测温系统的安装调试，施工简单方便，使传感器成活率达到了100%。

Description

用于地源热泵系统的地下温度场监测系统

技术领域

本发明涉及一种地源热泵技术领域，特别涉及一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统。

背景技术

目前现有的地下温度场监测主要采用的是铂电阻温度传感器测温系统、光纤光栅温度传感器测温系统。

铂电阻温度传感器测温系统原理：电阻的阻值是随着温度变化而变化的，比如，用线性比较好的铂丝、铜丝作的电阻。工业用热电阻一般采用 Pt100,Pt10,Pt1000，将电流流过铂电阻传感器时在其上产生压降，温度不同，铂电阻传感器的电阻值不同，则压降不同，再通过运放将该微弱压降信号放大，即输出期望的电压信号，该信号可直接连接到AD转换芯片。在远距离（例如大于100m）测量传输时,温度测量准确度、系统测量误差较大，同时受周围环境温度影响，模拟量传感器在工作过程中都是以电信号的形式存在，还监测环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，同时埋入地下的铂电阻温度传感器随着时间增长，温度测量值会产生一定的漂移，每年需要进行校准，因此使用方面有很大的局限性。传统的铂电阻测温一般采用一根线接一个铂电阻传感器，当采用变送器连接时传感器封装直径较大，同时需要的防水工艺要求较高。

光纤测温原理：光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。拉曼散射光由反斯托克斯（anti-Stokes）光和斯托克斯（Stokes）光两种不同波长的光组成。前者对温度特别敏感，而后者与温度关系很小。为消除光源波动和光纤弯曲等影响，提高测温准确度，采用anti-Stokes光和Stokes光强度的比值来解调温度信号，基于DSP的信号处理及实现基于DSP系统的信号处理单元完成对二极管（APD）光电探测器输出信号的放大、采样和处理，并解调出温度。光纤光栅测温系统造价较高，安装工艺及组网要求较高，在布线安装及后期维护时光纤易损坏等特点。

传统的温度监测系统主要采用现场数据采集，定期到现场进行数据拷贝和参数设置，若出现错误等状况则等到发现时已经丢失很多数据。

两种传统的系统造价较为昂贵，采用的是非总线式的布置方式，同时无法进行组网，经远距离传输后测温精度无法保证，在施工工艺方面采用将传感器绑扎在钢管外侧下管回填进行传感器埋设，施工较为复杂，成活率较低，后期无法进行精度校准和维护；传统的测温系统只是考虑了地下温度场的监测，对于整个地源热泵系统运行只有对地下温度场监测、地源热泵系统地埋侧进出口温度和流量进行监测才能够对整个系统做综合的研究和评价。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，该地下温度场监测系统通过设置其中注有耦合剂的保护管，并在保护管内布设总线连接的、具有防水封装层的单线数字温度传感器，弥补了现有技术中存在的施工复杂，温度传感器成活率低，后期无法进行精度校准和维护的问题。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，包括设于地下监测井的若干单线数字温度传感器、数据采集模块及与所述数据采集模块建立有连接的服务器，所述数据采集模块通过总线耦合所述单线数字温度传感器，其特征在于：所述监测井内垂直埋设有为下端封闭之管状的保护管，所述保护管内布设所述总线及单线数字温度传感器，并填充有作为导热介质的液态耦合剂。

所述液态耦合剂为水。

所述保护管为钢管或PE管。

所述监测井口设置有与所述总线相接之转换模块，所述转换模块通过CAN总线与所述数据采集模块输入端相接。

所述数据采集模块耦合有设于所述地源热泵系统之进、出口总管的流量计和温度传感器。

所述数据采集模块内设置有无线传输组件，用于向所述服务器内的数据接收模块发送数据。

所述无线传输组件及数据接收模块之间的通讯连接基于GPRS或CDMA。

所述单线数字温度传感器及其与所述总线连接之脚线、所述总线与所述脚线相接之局部外侧密封包裹有第一封装层，所述第一封装层外侧设有与其密封相接的第二封装层，所述总线从所述第一封装层延伸出的两端穿越所述第二封装层并伸出。

所述总线具有防水封装。

所述地源热泵系统的换热孔成栅格排列，所述若干监测井中的至少一监测井位于所述换热孔中一组相邻换热孔的中心处，且所述若干监测井中的至少二监测井位于所述换热孔区域的边缘处。

本发明的优点是：总线式布置性价比高，降低了监测系统建设成本，施工便利；双层防水工艺防水效果较好，实现了数字传感器在防水抗压工艺下耐压达3MPa以上可以长期进行运行；各个孔采用了转换模块，组网简单便利，新型的监测井实现了后期可进行测温系统的安装调试，施工简单方便，使传感器成活率达到了100%；传感器后期可以进行维护和校准；使用GPRS技术实现了远程监控减少了后期的管理维护成本，同时将数据进行错误报警。

附图说明

附图1为本实施例的整体结构示意图；

附图2为本实施例的电器元件连接结构示意图；

附图3为本实施例中可维护式监测井结构示意图；

附图4为本实施例中温度传感器结构示意图；

附图5为本实施例中监测井和地源热泵换热孔相对位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，图中标记1-13别为：连接导线1、引线2、温度传感器3、第一封装层4、第二封装层5、数据采集模块6、服务器7、保护管8、回填料9、耦合剂10、转换模块11、监测井12、换热孔13。

本发明主要根据传统的系统及施工维护方面存在的问题解决如下问题：

（1）研发总线式可组网数字式地温监测系统应用到地下温度场监测，对施工工艺及钻孔结构进行改进使监测孔实现后布设可维护式监测孔结构。

（2）解决数字式深水传感器在大压力下的防水问题。

（3）监测系统在实现了总线式布设，一根电缆可以连接多个测温传感器，降低监测成本。

（4）使用转换模块将各个监测井的测温传感器连接起来，实现组网，同时降低成本。

（5）在施工结束后进行监测系统安装调试，方便监测系统和地源热泵工程施工，保证埋设传感器成活率100%，使后期地下布设的传感器可以进行维护和校准。

（6）使用监测服务器主机对现场进行采集数据远程监控。

（7）不仅要对地下温度场进行监测，也要对地源侧进出口温度和流量进行监测。

结合上述发明思路，以下对于本实施例中结构及相应施工方法进行详细说明：

参见图1-3所示，监测井12待钻孔结束后将保护管注水后下至孔底，待现场地源热泵系统工程施工结束后进行地温监测系统安装调试，将数字式温度传感器采用双层防水工艺进行封装，将防水封装数字温度传感器使用总线连接，根据各地层温度监测要求将温度传感器布置在监测孔内，各个孔口布置转换模块，通过CAN总线技术连接各个孔口模块，总线直接于SLET1000-3现场监测系统现场采集主机相连，在地源热泵系统进出口总管上布置流量计和温度传感器，SLET1000-3系统负责将场温度及流量数据采集、处理后数据通过GPRS发送到监控中心的服务器或数据采集中心，从而实现现场数据的实时集中在线监测。在SLES2009在线监测系统软件中设置报警值，当信号中断及其他原因造成数据无法正常发送至数据中心时，采用人工到现场进行数据传输，将数据送至数据管理中心；在数据管理中心进行数据初步分析，总结规律，分析原因，若发现异常数据进行整个监测系统进行检查，分析原因及时对测温设备进行自检，若仪器设备出现故障及时进行修理和更换。

地温监测系统由安装在监控中心的SLES2009在线监测系统软件及分布在各处的SLET1000-3现场测温系统组成。现场监测中心与分散在各处的SLET1000-3系统的通讯是基于GPRS网络进行的。

参见图5，图5为监测井12和地源热泵换热孔13相对位置示意图。其中地源热泵系统中的换热孔13成栅格排列，图5中监测井12中数量为3个，其中一监测井12位于一组相邻换热孔13的中心处（此处一组相邻换热孔13即一组栅格单元，由纵横相邻的4个换热井组成，其中一组相邻换热孔13有且只有两个相邻换热孔13在纵横线上），且有两个监测井13位于所述换热孔区域的边缘处，并沿远离换热孔区域的趋势排列。

参见图4，本实施例中温度传感器主要包括总线1、与所述总线1连接之导线2、设于导线2端部的感温元件3。其中感温元件3采用的是单线数字温度传感器（又称一线器件），具体的型号为DS18B20，此传感器测温精度和分辨率更高，可实现编程分辨率为0.1625℃。而单线数字温度传感器具有多点组网功能，即多个DS18B20可以并联在总线1（）上，即可实现多点测温。总线1具有三条线，分别对应DS18B20的引脚：GND(电压地)、DQ（单数据总线）、VDD（电源电压）。引线2则分别从总线1连接至感温元件3的各个引脚处。

为实现温度传感器的密封防水，温度传感器还具有一层密封包裹所述引线2、感温元件3及连接导线1与引线2相接之局部的第一封装层4，所述第一封装4外侧设有与其密封相接的第二封装层5，所述连接导线1从所述第一封装层4延伸出的两端穿越所述第二封装层5并伸出。其中，第一封装层4、第二封装层5材料均采用环氧树脂，第一封装层4是将总线1、脚线2和感温元件3之间的连接处防水；第二封装层5是用于将总线1外层防水，，两层封装保证传感器与传输线的防水。

虽然以上已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，如：实施例中提及的对于第一封装层4、第二封装层5的材质的选择，也可以采用其他导热性能好并具有低导电率的材料，如导热树脂材料，导热硅胶材料，特殊导热涂料，陶瓷材料等，在此不在赘述。

Claims

1.一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，包括设于地下监测井的若干单线数字温度传感器、数据采集模块及与所述数据采集模块建立有连接的服务器，所述数据采集模块通过总线耦合所述单线数字温度传感器，其特征在于：所述监测井内垂直埋设有为下端封闭之管状的保护管，所述保护管内布设所述总线及单线数字温度传感器，并填充有作为导热介质的液态耦合剂。

2.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述液态耦合剂为水。

3.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述保护管为钢管或PE管。

4.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述监测井口设置有与所述总线相接之转换模块，所述转换模块通过CAN总线与所述数据采集模块输入端相接。

5.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述数据采集模块耦合有设于所述地源热泵系统之进、出口总管的流量计和温度传感器。

6.根据权利要求5所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述数据采集模块内设置有无线传输组件，用于向所述服务器内的数据接收模块发送数据。

7.根据权利要求6所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述无线传输组件及数据接收模块之间的通讯连接基于GPRS或CDMA。

8.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述单线数字温度传感器及其与所述总线连接之脚线、所述总线与所述脚线相接之局部外侧密封包裹有第一封装层，所述第一封装层外侧设有与其密封相接的第二封装层，所述总线从所述第一封装层延伸出的两端穿越所述第二封装层并伸出。

9.根据权利要求8所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述总线具有防水封装。

10.根据权利要求1所述的一种用于地源热泵系统的地下温度场监测系统，其特征在于：所述地源热泵系统的换热孔成栅格排列，所述若干监测井中的至少一监测井位于所述换热孔中一组相邻换热孔的中心处，且所述若干监测井中的至少二监测井位于所述换热孔区域的边缘处。