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地源热泵热响应测试影响因素分析_地源热泵地下温度场的测试分析

更新时间：2020-08-19　点击量：2080

地源热泵热响应测试影响因素分析_地源热泵地下温度场的测试分析

地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

产品咨询请"北京鸿鸥仪器（bjhoyq）"，产品搜索：地源热泵测温系统，地埋管测温系统，地源热泵热响应测试，地源热泵能效能耗监测系统。

1、前言
地埋管地源热泵技术由于其节能和环保的特点正受到越来越多的关注.然而地埋管地源热泵的推广需要开展对地埋管换热器存在的一些应用和理论问题的研究,其中包括选择合适回填材料、热泵系统对地埋管区域土壤作用时的温度变化问题等.比较理想的回填材料,不仅具有良好的护壁作用,还能降低埋管井与周边土壤的热阻,提高换热器管网对地下土壤的传热性能,减少地埋管的工程和造价,同时还能改善热泵的运行参数,提高系统的节能潜力.在热泵系统运行期间,地下土壤温度场的稳定性是关系到系统运行的可靠性和可持续性的问题.对于夏热冬冷的华东地区,地源热泵通过地埋管与地下土壤进行取热和散热的双向传热作用,相对于单一制热的北方地区和单一制冷的南方地区,华东地区为地源热泵提供了理想的应用环境.

但是,对于所有地埋管型地源热泵来说,地下土壤温度场的稳定性问题仍然是值得关注的大问题.热泵系统的冷热负荷对地下的热作用很难自然取得平衡,需要调查地下温度场的变化特性,以便制定优化的设计方案,确保系统长期稳定可靠的节能运行[1].目前国内对回填材料和地下土壤热平衡问题的研究局限于计算机模拟或短期试验研究[2~4], 缺少可靠的试验测量数据.本文以夏热冬冷的华东地区为对象,采用现场测试的方法,对比研究了两种不同回填材料对地埋管换热器传热性能的影响;在地源热泵地埋管区域的土壤中安装温度传感器,根据对地源热泵运行期间地下温度场的数据采集,分析了系统运行中埋管换热器周围不同位置处土壤温度场的变化特性.
"北京鸿鸥仪器（bjhoyq）"提供：地源热泵地源热泵热响应测试，地源热泵能效能耗监测系统，地埋管温度测量系统，

2　不同回填材料地埋管换热器的热响应测试
对地埋管换热器的热响应测试采用了专门设计制造的试验台,如图1所示.该试验台包括测试设备、控制设备、测量设备、数据采集系统等部分.测试设备能够模拟夏天制冷工况和冬天制热工况,制成所需要的冷水和热水,用于传热试验. 控制设备能够根据需要调节所需要的供水温度、流量和压力.测量设备由传感器和仪表组成,用于测量系统的温度、压力、流量等参数.控制设备和测量设备均采用美国NI的FP模块,使用485 通信协议,实现模块与上位机之间的.数据采集系统基于Labview软件平台,开发了自动化数据采集、数据存储、安全控制的计算机程序,该程序还具备远程控制和远程数据采集的功能.
为了提高测试精度,对传感器进行了校验. 温度传感器的校验在恒温水浴中进行,采用0.1K 刻度的试验室水银温度计作为标准值,在0~ 50℃的温度区间上,间隔3K,调节获得稳定的水温后,开始读数,Labview校正程序每隔5s扫描一次传感器的温度值,采用相邻6个扫描值的平均值作为每个温度传感器的读数,同时记录水银温度计的读数.在流量传感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了称重法与体积测量法相结合,与电子流量计的读数相对照.根据校正的结果,对每个传感器进行曲线拟合,保证试验结果分析的精度.
选择黄沙+膨润土、水泥浆+膨润土作为两种对比测试的回填材料,采用DN25的HDPE管作为换热器管道,井口直径110mm,打井深度 60m,制成了1#和2#地埋管换热器,
地源热泵热响应测试采用恒热流法,分别模拟热泵的夏季制冷工况和冬季制热工况.夏季制冷工况时,需要测量地埋管换热器向周边土壤的散热能力,保持换热器HDPE的水流流量和热流流量稳定,测试48h以上,保存所有传感器的测试数据;采用类似方法,利用热泵制成需要的冷水,模拟冬季供热工况,测试换热器从周边土壤的取热能力.在测试中1#井和2#井首先同时进行散热能力的热响应测试,经过48h的稳定测试后,获得的散热试验的运行数据;然后停止测试,让地下土壤获得一个温度恢复的过程;待地下土壤温度场基本恢复后,开展冬季取热的模拟测试.
无论对于夏季散热还是冬季取热,1#井与2#井在进水温度与流量均接近的情况下,1#井的进出口温差比2#井大,因此1#井对周边土壤的传热量大于2#井.比较同一个井夏季工况与冬季工况的传热情况可以看出,在流量接近的情况下,夏季的进出口温差大于冬季,这是因为夏季埋管中循环水与周围土壤的温差高于冬季.
根据实际测量的土壤原始温度、采集的地埋管的48h温度曲线、热流量数据,采用热响应分析的方法,依据线热源模型,可以回归出土壤的有效导热系数,从而分别计算出各个换热器在出水温度为35℃时的单位井深散热能力,同样的方法获取各个换热器在5℃时的等效取热能力.
进水温度35℃时,1#井埋管单位井深的传热量比2#井埋管高11%.进水温度为5℃时,1#井单位井深传热量比2#高井5%,两种工况均表明1#井的传热效果优于2#井,表明回填材料黄沙+膨润土的传热性能比水泥浆+膨润土的好.
2#井埋管采用的PE管分隔夹具有减小热短路、提高传热性能的功能.但是在本试验中2#井埋管的传热能力反而低于没有支承的1#井埋管,这主要是由回填材料造成的,这说明回填材料对传热的影响比支承更显著.如果排除塑料夹的影响,以黄沙+硼润土作为回填材料的传热性能比采用对比回填材料的传热性能提高幅度会更大.
"北京鸿鸥仪器（bjhoyq）"：地源热泵地源热泵热响应测试，地源热泵能效能耗监测系统，地埋管温度测量系统，

3　地埋管换热器周围土壤温度场的测试与分析
地源热泵的运行测试选在夏热冬冷的华东地区,建筑物同时具有供冷和供热两种需求,地源热泵常年运行,制冷运行150天左右、制热运行120天左右.
为了综合研究地下温度场的变化情况,在地埋管换热器安装的不同区域安装了一定数量的温度传感器(如图2),选取3个彼此不相邻地埋管换热器3#、4#和5#,井深30m,分别在井的内壁和井外埋设温度传感器,传感器埋深为10m,测点4 ~6在井内壁,测点1、2、3、7、8、9、10在井外,沿井径向方向的距离依次相隔0.5m.
4　结论
(1)回填材料黄沙+膨润土的传热性能优于水泥浆+膨润土.散热能力在进水温度35℃时前者比后者高11%左右,取热能力在进水温度5℃时高5%左右.采用黄沙+膨润土的井埋管还比采用水泥浆+膨润土的井埋管提供更大的进出口温差;
(2)换热井内壁处土壤温度曲线波峰出现在9月初,波谷在3月初,在井外,随着离井距离的增加,温度曲线出现峰谷值的时间将向后延迟2~3个月.运行一年后,井埋管周围土壤温度升高,距离井埋管越远,温升幅度越大;
(3)地埋管换热器周围土壤温度场的偏移现象说明,该热泵对地埋管区域土壤的排热量大于取热量.对于夏热冬冷的华东地区来说,建筑物需要的制冷能量大于制热能量,加上压缩机、水泵、风机等设备的功耗,地源热泵对地下土壤的制冷排热量要比制热取热量大一倍左右,如何采取技术措施,实现地下土壤的热平衡,对确保地源热泵持续可靠运行来说非常重要.

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）

2.0-500米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网GPRS无线传输至WEB端网络；单总线结构，可扩展128个点；进口18B20高精度传感器，在10-40度范围内，精度在0.1-0.2度）

3.0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统）

分布式光纤温度监测系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试

有此类深井地温项目，欢迎新老客户朋友垂询！

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此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

采集服务器通过总线将现场与温度采集模块相连，温度采集模块通过单总线将各温度传感器采集到的数据发到总线上。每个采集模块可以连接内置1-60个温度传感器的测温电缆相连。本方案可以对大型试验场进行温度实时监测，支持180口井或测温电缆及1500点以上的观测井温度在线监测。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套*基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

１.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇，对建筑物进行供热和供冷，在埋地管换热器设计中，土壤的导热系数是很重要的参数，而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长，测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地源热泵地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的地源热泵测温电缆设计方法，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的数字总线式测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、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，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；