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地源熱泵熱平衡問題分析與工程應用

更新時間：2020-05-03　點擊量：916

摘要地源熱泵系統(tǒng)運行其實是利用大地的蓄能來達到地源熱平衡，又因為環(huán)保高效能、成本費用低等優(yōu)點，在*范圍內得到了大力的推廣與應用，在地源熱泵系統(tǒng)不斷應用中出現(xiàn)了問題，地源熱泵因常年運行存在著吸排熱不平衡的問題，導致熱堆積從而引起性能下降。本文從地源熱泵熱平衡問題以及地源熱泵運行對生態(tài)環(huán)境的影響進行闡述，并從熱平衡問題影響因素出發(fā)，提出相應地源熱泵熱平衡問題的對策。

關鍵詞地源熱泵；熱平衡；問題分析；工程應用

地源熱泵冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對建筑供暖，同時使大地中的溫度降低，即蓄存冷量以備夏季使用。夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時在大地中蓄存熱量，以備冬季使用。地源熱泵系統(tǒng)主要用地下水或地表水與巖土作為低溫熱源，地源熱泵系統(tǒng)分別由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)與建筑物內系統(tǒng)組成。地源熱泵系統(tǒng)主要是利用地表淺層儲存能源，這種能源不會受地理位置的限制，可以無限循環(huán)的利用。這種能源叫可再生能源。利用這種可再生能源的地源熱泵技術具有節(jié)約能源、高效利用、運行成本低等好處。

1地源熱泵熱平衡問題

1.1地表淺層冷熱負荷不平衡

地源熱泵是由地熱換熱器通過提取地表淺層的溫差能，然后經過熱泵機組把熱源與熱匯擴散到自己周圍范圍內的地表。所以常年運行利用地表淺層熱能的地源熱泵系統(tǒng)就需要考慮常年從地表淺層提取熱能和放出熱能的平衡問題。這就是我們常說的土壤源熱泵熱平衡問題。由于我國地區(qū)在氣候上差異明顯，尤其是西北區(qū)域更是差異明顯。這就導致我國大部分區(qū)域建筑物地表淺層處于冷熱負荷很不平衡，使建筑物地表常年處于冷熱負荷較大的狀態(tài)，甚至會因為常年對地表進行提取與放出熱量不一致，形成我們所說的地下土壤“熱堆積”，其實就是土壤熱失衡。如果出現(xiàn)這種問題的發(fā)生，那么這樣的大地土壤就很難自身修復，甚至會造成大地土壤內能量無法再循環(huán)以及利用，這就是造成土壤熱失衡的主要原因，這樣客觀的因素是難以改變的。如果大地土壤長期在“熱堆積”下運行，往往會超出土壤自身的擴散熱量的能力，會造成大地土壤內的溫度與原始溫度逐漸偏離，可能會造成地表淺層溫度會不斷升高或降低，從而使熱泵機組在夏季運行時，制冷效果和效率嚴重下降，會影響熱泵機組的運行效率。

1.2地源熱泵的設計問題

地源熱泵可以利用地表淺層提取熱能和放出熱能的規(guī)律進行運行，夏季能夠使地表建筑能夠制冷冬季能保溫。地源熱泵在夏季與冬季交替運行中，地表土壤就成為能源載體和傳遞介質，在溫度變化上，是由埋管附近沿著路徑逐向外擴散，單位鉆孔在熱擴散半徑與自身擴散體積對半徑范圍內的土壤溫度降低或升高的幅度是非常重要的這是因為土壤自己是一個巨大的蓄能體，在儲存能量時，蓄能體積會不斷的增大，從而降低大地土壤平均溫度的變化幅度。所以在一定間距內合理的布孔，就不會在各埋管之間發(fā)生熱干擾現(xiàn)象，還能避免溫度在不斷的疊加，這樣也緩解了大地土壤溫度不斷急劇下降或升高的狀態(tài)。地源熱泵常年處于冷熱負荷較大的狀態(tài)運行，很容易造成熱平衡問題，熱平衡問題會引發(fā)“熱堆積”從而使大地土壤冷熱溫差不斷增大，給生態(tài)環(huán)境造成很大的影響。這樣的問題一直備受大家的重視，據(jù)相關數(shù)據(jù)表明：各個生態(tài)環(huán)境的好壞都與各自周邊的大地熱流有著緊密的聯(lián)系，在大地熱流較高的區(qū)域生態(tài)環(huán)境就比較好，生態(tài)體系越完善，生態(tài)環(huán)境就越好。而在大地熱流較低的區(qū)域生態(tài)環(huán)境就比較差，大地熱流的高低直接影響一個區(qū)域的地表生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)能量的降低，會影響一個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，從而影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。地源熱泵系統(tǒng)會大地熱流的脈動，大地熱流的波動會影響一個地區(qū)的降水分布還有該地區(qū)的干濕程度。從而造成該地區(qū)的溫差逐漸變大，從而對地表的生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的影響。

2地源熱泵熱平衡的對策

2.1正確認識地源熱泵

首先要了解和正確認識地源熱泵的本質，有些人往往會認為地源熱泵其實就是利淺層進行熱能交換來實現(xiàn)采暖空調目的的技術，是“取之不盡，用之不竭”的恒溫熱能。其實我們應該把“恒溫帶”的熱能作為“蓄能體”，就是從地下提取多少熱能，就放出多少熱能，以此來保證熱源的平衡，這個已經成為當前正確設計與使用系統(tǒng)的解決方法。解決土地熱失衡問題的關鍵。還有就是對冬季與夏季的負荷差距較大的區(qū)域，首先要考慮是否要加裝輔助冷熱源設備，以此來消除或減少地下埋管所放出的熱能，尤其是我國北方那些熱負荷大于冷負荷的區(qū)域，可以根據(jù)夏季的冷負荷來設計埋管深度與長度。來輔助對太陽能或鍋爐或太陽能作為補充的熱能。在我國南方那些冷負荷大于熱負荷的區(qū)域，就要按照冬季負荷來計算埋管深度與長度，來輔助對熱回收技術或者冷卻塔來減少地源熱系統(tǒng)對地下土壤的熱能的影響。

2.2減小地埋管換熱器

為了減小地源熱泵對地表淺層的影響，首先是要減小地埋管換熱器的密度，增加地埋管換熱器的布置面積，很容易受到實際情況限制，幾年出現(xiàn)的樁基埋管技術，在一定程度上可以解決埋管面積不足的情況就是把地下U型管換熱器深埋在建筑物混凝土樁基當中，從而使埋管面積擴大，也可以通過樁基和周邊的土地形成一種換熱，進而在減少其鉆孔與埋管的施工費用。配合樁基地埋管換熱器來減少占地面積。建筑樁基都有自己的不同構造可以讓樁基與U型管緊密貼合，從而減少了他們之間的阻力，強化大地土壤的傳熱的功能。

3地源熱泵熱工程應用

本文選取位于某地區(qū)寫字樓建筑的地源熱泵熱工程作為研究實例，首先要給寫字樓建筑在電腦上建立一個模型，按功能進行區(qū)域的劃分，然后按樓體的使用的類型進行劃分，然后依據(jù)該寫字樓的建筑圖為參照物，用DeST軟件建立建筑模型。然后依據(jù)各種數(shù)據(jù)參數(shù)進行參照對比，比如圍護結構熱工參數(shù)、室外設計參數(shù)、室內設計參數(shù)等，然后在電腦用清華大學DeST負荷模擬軟件進行模擬，可以按照該寫字樓建筑圖與空調設計參數(shù)，在DeST負荷模擬軟件建立一個建筑負荷模型，然后開始對該寫字樓進行全年空調逐時動態(tài)負荷模擬，得到該寫字樓全年的逐時負荷。從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一般的舒適性空調系統(tǒng)在實際運行過程中，在不需要供冷暖內情況下，是不會在供熱季節(jié)出現(xiàn)制冷的情況，在過渡季節(jié)有時也要開啟機組來調節(jié)冷熱負荷。從全年逐時負荷的模擬結果來看，進行一個合理的修正可以讓模擬結果更加符合實際結果。還要遵循當?shù)卦瓌t，通過修正之后的負荷逐時圖，要對修正后的負荷逐時圖進行分析，發(fā)現(xiàn)在7、8月空調負荷大，空調供暖期大負荷出現(xiàn)在12月至2月。根據(jù)逐時負荷計算，該建筑的設計熱負荷小于設計冷負荷，這樣會造成空調設計負荷不能承受大負荷，而導致不能連續(xù)工作，因此，在部分負荷狀態(tài)下了解系統(tǒng)運行特點對提高系統(tǒng)運行是非常有必要的。

TD-016C型 RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)測系統(tǒng)

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫

此款系統(tǒng)專門為地源熱泵生產企業(yè)，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節(jié)能環(huán)保產業(yè)等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統(tǒng)。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)測系統(tǒng)【產品介紹】

地源熱泵空調系統(tǒng)利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數(shù)是很重要的參數(shù).而對地溫進行長期可靠的監(jiān)測顯得特別重要。在現(xiàn)場實測土壤導熱系數(shù)時測試時間要足夠長,測試時工況穩(wěn)定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統(tǒng)的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環(huán)境影響、性價比高等優(yōu)點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統(tǒng)進行地溫監(jiān)測，因可靠性和穩(wěn)定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現(xiàn)場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監(jiān)測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監(jiān)測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)測系統(tǒng)：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統(tǒng)性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數(shù)值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數(shù)值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統(tǒng)，主要是一套*基于現(xiàn)場總線和數(shù)字傳感器技術的在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監(jiān)測并保存數(shù)據(jù)，為優(yōu)化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續(xù)運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)測系統(tǒng)本系統(tǒng)的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠特點總結：高性價格比，根據(jù)不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統(tǒng)是傳統(tǒng)鉑電阻測溫系統(tǒng)理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統(tǒng)性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數(shù)值模擬與實驗研究。

本系統(tǒng)技術參數(shù)：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數(shù)字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)功能：

1、溫度在線監(jiān)測

2、報警功能

3、數(shù)據(jù)存儲

4、定時保存設置

5、歷史數(shù)據(jù)報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數(shù)】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數(shù)：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統(tǒng)理論上支持180個節(jié)點，實際使用應該限制在150個節(jié)點以內。
5.系統(tǒng)具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統(tǒng)供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現(xiàn)場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統(tǒng)供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統(tǒng)，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據(jù)客戶距離進行封裝。目前該系統(tǒng)廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統(tǒng)進行地溫監(jiān)測，本系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監(jiān)測方法：
　　為了實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)的診斷，必須首先制定保證系統(tǒng)正常運行的合理的標準。在系統(tǒng)的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據(jù)參數(shù)，它也是在系統(tǒng)運行過程中可能產生變化的參數(shù)。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統(tǒng)的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統(tǒng)的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統(tǒng)是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統(tǒng)所控制的建筑物進行全年動態(tài)能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區(qū)域全年供暖、制冷的負荷，我們根據(jù)該負荷，選擇合適的系統(tǒng)配置，即地埋管數(shù)量以及必要的輔助冷熱源，并動態(tài)模擬計算地源熱泵植筋加固系統(tǒng)運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統(tǒng)實時監(jiān)測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監(jiān)測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統(tǒng)。

淺層地溫能監(jiān)測系統(tǒng)概況：

地源熱泵空調系統(tǒng)利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數(shù)是很重要的參數(shù)，而對地溫進行長期可靠的監(jiān)測顯得特別重要。在現(xiàn)場實測土壤導熱系數(shù)時測試時間要足夠長，測試時工況穩(wěn)定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統(tǒng)的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發(fā)的數(shù)字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環(huán)境影響、性價比高等優(yōu)點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統(tǒng)進行地溫監(jiān)測，因可靠性和穩(wěn)定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環(huán)境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據(jù)以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統(tǒng)的測溫精度，但對模擬量數(shù)據(jù)采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數(shù)，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數(shù)字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統(tǒng)。礦井深部地溫監(jiān)測，地源熱泵溫度監(jiān)測研究，地源熱泵溫度測量系統(tǒng)，淺層地熱測溫系統(tǒng)。

地源熱泵數(shù)字總線測溫線纜與傳統(tǒng)測溫電纜對比分析：
傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環(huán)境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統(tǒng)的精度差，會受環(huán)境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環(huán)境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發(fā)的總線式數(shù)字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數(shù)字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩(wěn)定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統(tǒng)熱電阻測溫系統(tǒng)*的優(yōu)勢。所以數(shù)字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監(jiān)測理想的設備。數(shù)字總線式數(shù)據(jù)傳感器本身自帶12位高精度數(shù)據(jù)轉換器和現(xiàn)場總線管理器，直接將溫度數(shù)據(jù)轉換成適合遠距離傳輸?shù)臄?shù)字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現(xiàn)一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺建設

一、系統(tǒng)介紹

1、建設自動監(jiān)測監(jiān)測平臺，可監(jiān)測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統(tǒng)空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數(shù)；地溫場的變化等，實現(xiàn)熱泵機組運行情況 24 小時實時監(jiān)測，異常情況預

警，做到真正的無人值守?？蓪岜孟到y(tǒng)的長期運行穩(wěn)定性、系統(tǒng)對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統(tǒng)優(yōu)化的工作提供數(shù)據(jù)指導依據(jù)。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線；

3）室外環(huán)境溫度數(shù)據(jù)及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統(tǒng) COP 分析以及系統(tǒng)節(jié)能量的評價分析。

2、自動監(jiān)測平臺建成以后可以對已經安裝自動監(jiān)測設備的地熱井實施自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)分

析展示，可實現(xiàn)地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)異常情況預

警，做到實時監(jiān)管，有地熱井運行的穩(wěn)定性。

1）開采水量及回水水量的流量監(jiān)測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監(jiān)測及變化曲線；

3）開采井井內水位監(jiān)測及變化曲線；

地源熱泵熱平衡問題分析與工程應用

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