地源热泵中土壤温度检测装置、系统及供暖系统的制作方法

本实用新型涉及供能系统领域，尤其涉及一种地源热泵中土壤温度检测装置与系统。

背景技术：

北京市环境保护科学研究院国家城市环境污染控制工程技术研究中心的彭应登提出北京空气重污染中燃煤对雾霾天空气污染物的贡献率达 18.7％，指出应逐步削减煤炭用量。针对北京以及华北地区的雾霾严重污染治理，太阳能与地源热泵联合供能系统能有效替代煤取暖方式，是探索冬季取暖夏季制冷的一个有巨大前景的新技术，北京已经开展了试点工作。基于太阳能与地源热泵的联合供能系统是一种新型供暖技术，具有节能环保的特点。影响地源热泵系统的相关量中土壤热量分析是一个重要参数。同济大学的马宏权分析地源热泵热平衡问题的由来，并提到可以在地埋管换热器布置场地内布置温度传感器，来采集与分析土壤温度。

但现有技术中，普通温度传感器因存在传输、损耗以及干扰等因素而导致的采集温度数据不够准确的问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于公开一种地源热泵中土壤温度检测装置与系统，以解决普通温度传感器因存在传输、损耗以及干扰等因素而导致的采集温度数据不够准确的问题。

为达上述目的，根据本实用新型的第一个方面，公开一种地源热泵中土壤温度检测装置，并采用如下技术方案:

一种地源热泵中土壤温度检测装置包括：用于获取目标地源热泵井内不同深度土壤温度的多个光纤光栅传感器，多个所述光纤光栅传感器对应设置于所述地源热泵井中不同土壤深度处；用于将多个所述光纤光栅传感器所获取的土壤温度由光信号转为电信号的光纤解调主机，所述光纤解调主机分别连接多个所述光纤光栅传感器；用于对所述土壤温度进行数据处理的数据处理模块，所述数据处理模块与所述光纤解调主机电连接。

进一步地，所述数据处理模块包括：用于对所述土壤温度进行分析的 ARM模块；以及用于传输所述ARM模块处理后得到的土壤温度的数据的传输模块，所述传输模块与所述ARM模块电连接。

进一步地，所述的检测装置还包括：用于对所述土壤温度的数据进行实时显示的LED显示屏，所述LED显示屏通过以太网与所述数据处理模块通信。

进一步地，所述的检测装置还包括：用于对所述土壤温度的数据进行存储及分析的服务器端，所述服务器端通过无线模块与所述数据处理模块实时通信。

根据本实用新型的第二个方面，提供一种地源热泵中土壤温度检测系统，并采用如下技术方案：

一种地源热泵中土壤温度检测系统包括：多个光纤光栅传感器组，其中每组包括多个所述光纤光栅传感器，多个所述光纤光栅传感器对应设置于所述地源热泵井中不同土壤深度处；用于将多个所述光纤光栅传感器所获取的土壤温度由光信号转为电信号的光纤解调主机，所述光纤解调主机分别连接每个所述光纤光栅传感器组中的光纤光栅传感器；用于对所述土壤温度进行数据处理的数据处理模块，所述数据处理模块与所述光纤解调主机电连接；用于对所述土壤温度的数据进行实时显示的LED显示屏，所述LED显示屏通过以太网与所述数据处理模块通信；用于对所述土壤温度的数据进行存储及分析的服务器端，所述服务器端通过无线模块与所述数据处理模块实时通信。

进一步地，所述数据处理模块包括：用于接收从所述光纤解调主机发送的土壤温度的光纤传感器数据接收模块；用于对所述土壤问题进行处理并得到土壤温度的数据的ARM模块，所述ARM模块与所述光纤传感器数据接收模块电连接；用于将所述土壤温度的数据存储在本地的数据存储模块，所述数据存储模块与所述ARM模块电连接；用于将所述土壤温度的数据与预设传输目标进行通信的无线通信模块，所述无线通信模块与所述 ARM模块电连接。

进一步地，多个光纤光栅传感器组中的任意一组光纤光栅传感器包括 10至18个光纤光栅传感器，且每个所述光纤光栅传感器由浅至深设置于同一所述地源热泵井中的不同深度处。

根据本实用新型的第三个方面，提供一种供暖系统，并采用如下技术方案：

一种供暖系统包括：太阳能供暖系统；地源热泵供暖系统；所述太阳能供暖系统与所述地源热泵供暖系统均与地面供暖中心单元相连接；其中，所述地源热泵供暖系统包括上述的检测装置。

根据本实用新型的第四个方面，提供一种供暖系统，并采用如下技术方案：

一种供暖系统包括：太阳能供暖系统；地源热泵供暖系统；所述太阳能供暖系统与所述地源热泵供暖系统均与地面供暖中心单元相连接；其中，所述地源热泵供暖系统包括上述的检测系统。

本实用新型可以对太阳能与地源热泵联合供能系统的土壤温度进行采样与远传，通过将光纤光栅传感器依次布设到每一口井的不同土壤深度，光纤解调主机完成各个井通道的温度测量后，数据汇总到ARM为核心的数据处理传输模块，再通过以太网实现了本地LED大屏幕的数据实时显示和分析，进一步可基于SIM900A无线模块实现温度数据的实时远传，服务器接收数据后完成数据的存储处理和分析。相对于现有技术中的土壤温度获取手段而言，光纤光栅具有频带宽，损耗低，抗干扰能力强等特点，用光纤光栅进行测温成本低，精度可达0.5摄氏度。经过对北京市某现场10 个井120个测试点的土壤温度的精确采集和实时远传，并完成了近一年的数据采样分析。实验分析表明，该地源热泵井周围地区土壤温度波动大致范围在8-25摄氏度之间，夏季温度高于冬季温度10度左右，随着土壤深入，两者温度相差越来越少。而地表温度较于地下120米处，夏季温度降低5度左右，冬季温度比较平稳，土壤温度随着及季节和热泵的运行，存在热量不均衡的情况，这些数据对于进一步优化功能系统具有显著的意义，为进一步进行热量平衡提供数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所述的地源热泵中土壤温度检测装置的结构示意；

图2为本实用新型实施例所述的地源热泵中土壤温度检测系统的架构图；

图3为本实用新型实施例所述的光纤光栅制作示意图；

图4为本实用新型实施例所述的光纤光栅传感器测试点多通道架构图；

图5为本实用新型实施例所述的数据处理模块的结构示意图；

图6为本实用新型实施例所述的某一时刻的数据曲线图；

图7为本实用新型实施例所述的测试点1和测试点3不同时间温度折线图；

图8为本实用新型实施例所述的1月和7月季节，不同测井温度折线图；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

光纤光栅是利用掺杂光纤的光致折射率变化特性，用特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的一种反射型光纤无源器件。当宽带光波通过光纤光栅时，对满足Bragg条件的入射光产生强烈的反射，并沿原传输光纤返回，而其它波长的光波可以无损耗的通过。透射过去的其它波长光波可以继续传输给其它具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回，由此可实现多个光纤光栅传感器的波分复用，实现准分布式测量。

当其所处的温度场变化时，温度与光纤Bragg光栅波长变化的关系为：

式中，光纤的热膨胀系数α主要引起栅格的周期的变化，取α＝5.5×10^-7K^-1；光纤的热光系数ξ主要引起光纤的折射率的变化，取ξ＝7.0×10^-6K^-1。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤(直径为0.125mm～0.25mm)的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜，具体参见图3所示，在普通光纤1中，形成一段长度为10mm左右的敏感区2，可以准确感测温度、应力的变化。在对土壤进行温度采样时，将光纤光栅依次垂直埋入地下，可设置任意多个通道，例如设置10个通道，每个通道有12个测试点，测试点之间相隔10米，土壤分层光纤光栅采样布置结构图如图4所示。

上述为光纤光栅测温原理，光纤光栅制作过程，及测温时的现场架构。

以下通过具体实施例阐述本发明公开的地源热泵中土壤温度检测装置。

图1为本实用新型实施例所述的地源热泵中土壤温度检测装置的结构示意。

参见图1所示，一种地源热泵中土壤温度检测装置包括：用于获取目标地源热泵井内不同深度土壤温度的多个光纤光栅传感器10，多个所述光纤光栅传感器10对应设置于所述地源热泵井中不同土壤深度处；用于将多个所述光纤光栅传感器10所获取的土壤温度由光信号转为电信号的光纤解调主机20，所述光纤解调主机20分别连接多个所述光纤光栅传感器10；用于对所述土壤温度进行数据处理的数据处理模块30，所述数据处理模块 30与所述光纤解调主机20电连接。

在本实施例的技术方案中，一个目标地源热泵井对应一个通道，一个通道内布置多个光纤光栅传感器10，每个光纤光栅传感器10均与光纤解调主机20相连接，光纤解调主机20将光纤光栅传感器10的获取的土壤温度由光信号转为电信号，数据汇总到ARM为核心的数据处理模块30，对数据进行处理，分析及使用。

因此，采用本实施例的技术方案，相对于现有技术中的土壤温度获取手段而言，光纤光栅具有频带宽，损耗低，抗干扰能力强等特点，用光纤光栅进行测温成本低，精度高，且在经过对多个测试点的土壤温度的精确采集和实时远传的试验表明，采用本实施例的技术方案，可以高效的完成土壤温度的数据采样分析工作，为进一步的热平衡工作提供数据支持。

优选地，所述的检测装置还包括：用于对所述土壤温度的数据进行实时显示的LED显示屏，所述LED显示屏通过以太网与所述数据处理模块通信。

本实施例增设了一LED显示屏，LED显示屏通常设置在工作站，或者供能大厅，供工作人员实时了解土壤温度的变化情况，并且对土壤温度的数据进行分析，以便进一步的供能工作安排。

优选地，所述的检测装置还包括：用于对所述土壤温度的数据进行存储及分析的服务器端，所述服务器端通过无线模块与所述数据处理模块实时通信。

本实施例增设服务器端，服务器端可以为云端服务器，服务器端与数据处理模块实时通信，获取数据处理模块的土壤温度的数据，存储在服务器端，服务器端可以对土壤温度数进一步分析，使用。

图2为本实用新型实施例所述的地源热泵中土壤温度检测系统的架构图。

参见图2所示，一种地源热泵中土壤温度检测系统包括：多个光纤光栅传感器组21，其中每组包括多个所述光纤光栅传感器10，多个所述光纤光栅传感器10对应设置于所述地源热泵井中不同土壤深度处；用于将多个所述光纤光栅传感器10所获取的土壤温度由光信号转为电信号的光纤解调主机20，所述光纤解调主机20分别连接每个所述光纤光栅传感器组21 中的光纤光栅传感器10；用于对所述土壤温度进行数据处理的数据处理模块30，所述数据处理模块30与所述光纤解调主机20电连接；用于对所述土壤温度的数据进行实时显示的LED显示屏32，所述LED显示屏32通过以太网31与所述数据处理模块30通信；用于对所述土壤温度的数据进行存储及分析的服务器端33，所述服务器端33通过无线模块与所述数据处理模块30实时通信。

本实施例架构了光纤光栅传感器组21，实现多通道的温度测量，即将多口井纳入一个系统进行测量，最终综合分析，对比每个测试点的数据，例如：利用光纤光栅传感器依次布设到每一口井的不同土壤深度，光纤解调主机完成十个通道的温度测量后，数据汇总到ARM为核心的数据处理模块30，再通过以太网实现了本地LED大屏幕的数据实时显示和分析，基于SIM900A无线模块实现温度数据的实时远传，服务器接收数据后完成数据的存储处理和分析。

优选地，所述数据处理模块30包括：用于接收从所述光纤解调主机 20发送的土壤温度的光纤传感器10数据接收模块；用于对所述土壤问题进行处理并得到土壤温度的数据的ARM模块，所述ARM模块与所述光纤传感器数据接收模块电连接；用于将所述土壤温度的数据存储在本地的数据存储模块，所述数据存储模块与所述ARM模块电连接；用于将所述土壤温度的数据与预设传输目标进行通信的无线通信模块，所述无线通信模块与所述ARM模块电连接。

具体参见图5所示，数据处理传输模块结构如图5所示。以ARM模块内核Cotex-M3的STM32F103芯片为核心的数据处理传输模块，包括电源模块，光纤传感数据接收模块，数据存储模块，实时时钟模块，无线通信模块。传感器数据经过光纤传感数据接收模块，最终完成数据采集与存储并通过无线方式传输出去。

光纤光栅数据处理模块计算得到的温度通过485总线ModBus协议传输给光纤传感数据接收模块，最终完成数据采集与存储并通过无线方式传输出去。485数据格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位和偶校验，波特率为38400BPS，ModBus协议数据请求协议如表1所示，数据接收协议如表2所示。

表1数据请求协议

表2数据接收协议

伴随着无线通信技术的发展，无线数据采集卡慢慢涌现出来，SIM900A 芯片在众多项目中的成功实践，为实现数据采集卡的无线通讯提供了新的思路。485总线是一种广泛应用工业监测领域的串行总线，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，具有高灵敏度，传输信号能在千米以外得到恢复。

无线通讯模块采用SIM900A芯片，将光纤采集模块的10个通道总计 120个测试数据以int格式组成协议包实现GSM/GPRS远传。数据协议如表3所示，共256个字节，包括帧头，单元地址，数据长度，数据，CRC 校验和帧尾。校验占用两个字节，为CRC即循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check)，对数据进行多项式计算，以保证数据传输的正确性和完整性。

表3无线数据传输协议

经过对某地源热泵与太阳能联合供能系统中土壤温度持续近一年采样监测。表4为9号井12个测试点在不同时间下的温度检测值，2016011014 为2016年1月10日14点，测试点1即为光纤光栅传感器1靠近地面，1 至12依次10米递增深入地下，准分布式测温值。

表4 9号井温度采样

参见图6所示，图6所示为2016年9月10日某一时刻的数据曲线图，选取6号、7号、9号、10号井的12个测试点温度折线图。可以看出随着测试点深入地下，温度呈下降趋势，每个测井同样深度的光栅测试点温度相差不大。

图7所示为测试点1和测试点3不同时间温度折线图，选取10个通道的光栅测试点1和光栅测试点3在1、3、5、7、9月某一天的温度值。由图可知随着大气中温度的增加，土壤温度也随之增加，上下浮动不超过10 度，土壤温度大约在8-25度左右。

对取暖季和制冷季即1月和7月12测试点完成10个井的数据平均，可得到折线图8，其中横轴为测试点编号，纵轴为测试点的温度值。由图可知，当有大量的光照，土壤温度随之升高，夏季温度高于冬季温度10度左右，随着土壤深入，两者温度相差越来越少。而地表温度较于地下120 米处，夏季温度降低5度左右，冬季温度比较平稳。

本实施例采用光纤光栅实现了太阳能与地源热泵联合供能系统中土壤温度的监测与分析。系统实现了准分布式测温，测量精度达到0.5摄氏度，并且实现了温度数据实时无线远传和土壤温度分析。本文完成了某现场的 10个井共计120个测试点持续一年的数据采样和传输，分析了该地源热泵井周围地区土壤温度波动情况，夏季冬季温度变化情况，土壤不同深度温度分布情况等。结果表明，不同季节土壤温度分布存在不均衡，需要后续持续进行持续监测，累计数据，为进一步优化太阳能及地源热泵联合供能系统的设计提供有力的数据支持和指导。

优选地，多个光纤光栅传感器组中的任意一组光纤光栅传感器包括10 至18个光纤光栅传感器，且每个所述光纤光栅传感器由浅至深设置于同一所述地源热泵井中的不同深度处。

本实用新型提供的一种供暖系统包括：太阳能供暖系统；地源热泵供暖系统；所述太阳能供暖系统与所述地源热泵供暖系统均与地面供暖中心单元相连接；其中，所述地源热泵供暖系统包括上述的检测装置。

本实用新型提供的一种供暖系统包括：太阳能供暖系统；地源热泵供暖系统；所述太阳能供暖系统与所述地源热泵供暖系统均与地面供暖中心单元相连接；其中，所述地源热泵供暖系统包括上述的检测系统。

本实用新型可以对太阳能与地源热泵联合供能系统的土壤温度进行采样与远传，通过将光纤光栅传感器依次布设到每一口井的不同土壤深度，光纤解调主机完成各个井通道的温度测量后，数据汇总到ARM为核心的数据处理传输模块，再通过以太网实现了本地LED大屏幕的数据实时显示和分析，进一步可基于SIM900A无线模块实现温度数据的实时远传，服务器接收数据后完成数据的存储处理和分析。相对于现有技术中的土壤温度获取手段而言，光纤光栅具有频带宽，损耗低，抗干扰能力强等特点，用光纤光栅进行测温成本低，精度可达0.5摄氏度。经过对北京市某现场10个井120个测试点的土壤温度的精确采集和实时远传，并完成了近一年的数据采样分析。实验分析表明，该地源热泵井周围地区土壤温度波动大致范围在8-25摄氏度之间，夏季温度高于冬季温度10度左右，随着土壤深入，两者温度相差越来越少。而地表温度较于地下120米处，夏季温度降低5度左右，冬季温度比较平稳，土壤温度随着及季节和热泵的运行，存在热量不均衡的情况，这些数据对于进一步优化功能系统具有显著的意义，为进一步进行热量平衡提供数据支持。

以上只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。