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解決地源熱泵系統熱平衡問題的方法

更新時間：2020-05-02　點擊量：3327

解決地源熱泵系統熱平衡問題的方法

【學員問題】解決地源熱泵系統熱平衡問題的方法？

　　【解答】土壤熱平衡問題是地埋管地源熱泵系統設計與應用中需要解決的首要問題，如今已經有不少方法應用在實際工程中，并取得了不錯的效果，比如在系統中加入輔助冷熱源、間歇式控制等措施。其中使用較為廣泛的措施就是采取混合式地源熱泵系統。混合式地源熱泵即地埋管換熱系統與輔助散熱設備或輔助熱源混合使用的熱泵系統，分為室內換熱系統和室外換熱系統兩大部分[1].

　　1.冷卻塔-地埋管地源熱泵

　　在南方地區，建筑負荷特點一般是夏季冷負荷大于冬季熱負荷，所以土壤熱平衡問題是體現在土壤熱量的堆積上。在此種負荷特點下，設計中地埋管的熱容量是以建筑物的熱負荷作為設計基礎，夏季供冷時采用輔助散熱設備散去室內多余熱量。

　　冷卻塔是混合式地源熱泵系統常用的散熱設備，在大部分工程設計中，通常是根據建筑全年累計總負荷計算熱量得失，由系統對土壤取熱量與散熱量之差計算冷卻塔循環水量從而選取冷卻塔型號，在控制冷卻塔時則固定時間啟停。但由于建筑負荷與周圍環境息息相關且負荷變化是一個動態過程，所以不應該單純以此法選取和控制冷卻塔。在文獻【2】中提出了比較合理的冷卻塔選型和控制方法，即由土壤在熱泵制冷工況運行下的平均進水溫度（根據經驗數據或模擬計算得出）計算出冷卻塔容量大小的平衡點T，查詢當地全年逐時室外干濕球溫度數據得出當室外濕球溫度為T時室外干球溫度的平均值，進而求得在此室外條件下的建筑冷負荷Qc，再根據熱泵機組的EER值計算出機組的放熱量Qf，由此選取冷卻塔。此法在選型計算中與建筑所在地區氣候特點和建筑負荷特點都緊密起來，所以所得結果符合工程實際情況。而冷卻塔的啟停控制方法是根據機組出水溫度來判斷是否需要冷卻塔輔助，且當所選冷卻塔出水溫度小于土壤在熱泵制冷工況運行下的平均進水溫度時啟用冷卻塔（因此時在流量相同情況下，使用冷卻塔比使用埋管更有利于提高機組的運行效率）。

　　采用冷卻塔-地埋管地源熱泵系統可以很好的解決土壤熱平衡問題，而合理的選取和控制冷卻塔，可以減少部分埋井數量，節約室外地埋管換熱器的安裝面積，同時初投資也會相應降低。如圖所示為冷卻塔-地埋管地源熱泵系統原理圖。

　　冷卻塔-土壤源熱泵系統原理圖 1冷卻塔；2 、4水泵；3埋地盤管； 5換熱器；6冷凝器；7膨脹閥；8蒸發器；9回熱器；10壓縮機；11風機盤管

　　2.太陽能-地埋管地源熱泵

　　在寒冷地區，建筑冬季供熱負荷要大于夏季供冷負荷，造成熱泵冬季從地下土壤吸取的熱量大于夏季向土壤排放的熱量，導致土壤溫度逐漸降低，致使系統供熱量下降，耗功率上升，供熱系數降低。據統計，一般情況下土壤溫度每降低1℃，會使制取同樣熱量的能耗增加3%~4%【3】。所以，為了保證熱泵系統能夠長久、正常的運行，并充分體現其節能性，需要在系統中加入輔助加熱設備，以解決在寒冷地區應用地埋管地源熱泵所面臨的土壤熱平衡問題。太陽能集熱器是常用的輔助加熱設備，系統可通過閥門的控制來實現太陽能直接供暖，太陽能與熱泵聯合供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱的運行流程等。冬季采暖時，以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調用。夏季與過渡季節，太陽能集熱器主要用于提供生活用熱水。如圖所示為太陽能-地埋管地源熱泵系統原理圖。

　　太陽能-土壤源熱泵系統原理圖 1集熱器；2貯熱水槽；3、5水泵；4埋地盤管； 6換熱器；7蒸發器；8壓縮機；9冷凝器；10回熱器；11膨脹閥；12風機盤管

　　3.地源熱泵間歇式運行

　　盡管地埋管地源熱泵系統的連續使用會使土壤溫度發生單向變化，但土壤溫度場有著可恢復的特點，并且在建筑環境中供熱供冷系統機組的運行具有間斷性，所以有人提出了地源熱泵的間歇式運行。通過人為合理的控制熱泵機組的間歇運行，能夠強化傳熱過程，提高熱泵機組的使用效率，較好的解決土壤熱平衡問題。而且如能充分利用這種間歇性彌補地下傳熱緩慢的不足，就能實現充分換熱，大限度的減少地埋管的鉆孔數，降低工程初投資。

　　國內已有不少地源熱泵間歇式運行的實驗，提出了一些合理的啟停控制方案。比如大連理工曾做的冬季工況24小時間歇運行試驗【4，5】，得出以24小時為一個周期，控制機組啟停時間為1：1和2：5時土壤溫度場的恢復效果的分析。機組具體運行情況為：機組運行5小時后停機，埋管管壁溫度經過5小時溫度恢復到與初始狀態相差0.2？C，機組繼續運行4小時后停止運行，管壁溫度經過10小時恢復到初始溫度，為下一循環開機運行提供較好的換熱條件。以此方式運行，在滿足用戶負荷需求的基礎上，熱泵的進出口水溫穩定在一個較高溫度，使機組基本處于理想工況下運行，且地下換熱量與連續運行相比提高了5%.

　　4.回收利用多余熱量制造生活熱水

　　在夏季冷負荷大于冬季熱負荷的地區，對于地源熱泵系統土壤熱量得失不平衡問題，用冷卻塔將系統多余熱量散發至空氣中是較常用的方法，但從能源使用方面講是浪費了這部分熱能，若合理利用這部分熱量，將是節約能源的一個有效方法。

　　在該種負荷條件下，系統夏季向土壤釋放的熱量大于冬季從土壤中取出的熱量，要利用起這部分能量，應從建筑能源需求的其他方面考慮。如今建筑生活熱水一般是全年供應，已經有一些工程將系統多余熱量回收用于制造生活熱水，不僅避免了這部分能量的浪費，還節約了部分制造生活熱水所需的一次能源。

TD-016C型 RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，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。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測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統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,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩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、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩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據發到總線上。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測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

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值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

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

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

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，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 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值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，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測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

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：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. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【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，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，根據客戶距離進行封裝。目前該系統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進行地溫監測，本系統的可靠性和穩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測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。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是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，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，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統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，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統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，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩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的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩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可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，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“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統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、系統的精度差，會受環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的穩定性，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的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數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，因數據傳輸采用總線方式，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。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數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測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，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，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；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；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統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優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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解決地源熱泵系統熱平衡問題的方法

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