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地源热泵热平衡问题分析与工程应用

更新时间：2020-05-03　点击量：920

摘要地源热泵系统运行其实是利用大地的蓄能来达到地源热平衡，又因为环保高效能、成本费用低等优点，在*范围内得到了大力的推广与应用，在地源热泵系统不断应用中出现了问题，地源热泵因常年运行存在着吸排热不平衡的问题，导致热堆积从而引起性能下降。本文从地源热泵热平衡问题以及地源热泵运行对生态环境的影响进行阐述，并从热平衡问题影响因素出发，提出相应地源热泵热平衡问题的对策。

关键词地源热泵；热平衡；问题分析；工程应用

地源热泵冬季通过热泵将大地中的低位热能提高，对建筑供暖，同时使大地中的温度降低，即蓄存冷量以备夏季使用。夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时在大地中蓄存热量，以备冬季使用。地源热泵系统主要用地下水或地表水与岩土作为低温热源，地源热泵系统分别由水源热泵机组、地热能交换系统与建筑物内系统组成。地源热泵系统主要是利用地表浅层储存能源，这种能源不会受地理位置的限制，可以无限循环的利用。这种能源叫可再生能源。利用这种可再生能源的地源热泵技术具有节约能源、高效利用、运行成本低等好处。

1地源热泵热平衡问题

1.1地表浅层冷热负荷不平衡

地源热泵是由地热换热器通过提取地表浅层的温差能，然后经过热泵机组把热源与热汇扩散到自己周围范围内的地表。所以常年运行利用地表浅层热能的地源热泵系统就需要考虑常年从地表浅层提取热能和放出热能的平衡问题。这就是我们常说的土壤源热泵热平衡问题。由于我国地区在气候上差异明显，尤其是西北区域更是差异明显。这就导致我国大部分区域建筑物地表浅层处于冷热负荷很不平衡，使建筑物地表常年处于冷热负荷较大的状态，甚至会因为常年对地表进行提取与放出热量不一致，形成我们所说的地下土壤“热堆积”，其实就是土壤热失衡。如果出现这种问题的发生，那么这样的大地土壤就很难自身修复，甚至会造成大地土壤内能量无法再循环以及利用，这就是造成土壤热失衡的主要原因，这样客观的因素是难以改变的。如果大地土壤长期在“热堆积”下运行，往往会超出土壤自身的扩散热量的能力，会造成大地土壤内的温度与原始温度逐渐偏离，可能会造成地表浅层温度会不断升高或降低，从而使热泵机组在夏季运行时，制冷效果和效率严重下降，会影响热泵机组的运行效率。

1.2地源热泵的设计问题

地源热泵可以利用地表浅层提取热能和放出热能的规律进行运行，夏季能够使地表建筑能够制冷冬季能保温。地源热泵在夏季与冬季交替运行中，地表土壤就成为能源载体和传递介质，在温度变化上，是由埋管附近沿着路径逐向外扩散，单位钻孔在热扩散半径与自身扩散体积对半径范围内的土壤温度降低或升高的幅度是非常重要的这是因为土壤自己是一个巨大的蓄能体，在储存能量时，蓄能体积会不断的增大，从而降低大地土壤平均温度的变化幅度。所以在一定间距内合理的布孔，就不会在各埋管之间发生热干扰现象，还能避免温度在不断的叠加，这样也缓解了大地土壤温度不断急剧下降或升高的状态。地源热泵常年处于冷热负荷较大的状态运行，很容易造成热平衡问题，热平衡问题会引发“热堆积”从而使大地土壤冷热温差不断增大，给生态环境造成很大的影响。这样的问题一直备受大家的重视，据相关数据表明：各个生态环境的好坏都与各自周边的大地热流有着紧密的联系，在大地热流较高的区域生态环境就比较好，生态体系越完善，生态环境就越好。而在大地热流较低的区域生态环境就比较差，大地热流的高低直接影响一个区域的地表生态系统，生态系统能量的降低，会影响一个区域的生态系统的多样性，从而影响该地区生态系统的稳定性。地源热泵系统会大地热流的脉动，大地热流的波动会影响一个地区的降水分布还有该地区的干湿程度。从而造成该地区的温差逐渐变大，从而对地表的生态系统带来巨大的影响。

2地源热泵热平衡的对策

2.1正确认识地源热泵

首先要了解和正确认识地源热泵的本质，有些人往往会认为地源热泵其实就是利浅层进行热能交换来实现采暖空调目的的技术，是“取之不尽，用之不竭”的恒温热能。其实我们应该把“恒温带”的热能作为“蓄能体”，就是从地下提取多少热能，就放出多少热能，以此来保证热源的平衡，这个已经成为当前正确设计与使用系统的解决方法。解决土地热失衡问题的关键。还有就是对冬季与夏季的负荷差距较大的区域，首先要考虑是否要加装辅助冷热源设备，以此来消除或减少地下埋管所放出的热能，尤其是我国北方那些热负荷大于冷负荷的区域，可以根据夏季的冷负荷来设计埋管深度与长度。来辅助对太阳能或锅炉或太阳能作为补充的热能。在我国南方那些冷负荷大于热负荷的区域，就要按照冬季负荷来计算埋管深度与长度，来辅助对热回收技术或者冷却塔来减少地源热系统对地下土壤的热能的影响。

2.2减小地埋管换热器

为了减小地源热泵对地表浅层的影响，首先是要减小地埋管换热器的密度，增加地埋管换热器的布置面积，很容易受到实际情况限制，几年出现的桩基埋管技术，在一定程度上可以解决埋管面积不足的情况就是把地下U型管换热器深埋在建筑物混凝土桩基当中，从而使埋管面积扩大，也可以通过桩基和周边的土地形成一种换热，进而在减少其钻孔与埋管的施工费用。配合桩基地埋管换热器来减少占地面积。建筑桩基都有自己的不同构造可以让桩基与U型管紧密贴合，从而减少了他们之间的阻力，强化大地土壤的传热的功能。

3地源热泵热工程应用

本文选取位于某地区写字楼建筑的地源热泵热工程作为研究实例，首先要给写字楼建筑在电脑上建立一个模型，按功能进行区域的划分，然后按楼体的使用的类型进行划分，然后依据该写字楼的建筑图为参照物，用DeST软件建立建筑模型。然后依据各种数据参数进行参照对比，比如围护结构热工参数、室外设计参数、室内设计参数等，然后在电脑用清华大学DeST负荷模拟软件进行模拟，可以按照该写字楼建筑图与空调设计参数，在DeST负荷模拟软件建立一个建筑负荷模型，然后开始对该写字楼进行全年空调逐时动态负荷模拟，得到该写字楼全年的逐时负荷。从数据中发现一般的舒适性空调系统在实际运行过程中，在不需要供冷暖内情况下，是不会在供热季节出现制冷的情况，在过渡季节有时也要开启机组来调节冷热负荷。从全年逐时负荷的模拟结果来看，进行一个合理的修正可以让模拟结果更加符合实际结果。还要遵循当地原则，通过修正之后的负荷逐时图，要对修正后的负荷逐时图进行分析，发现在7、8月空调负荷大，空调供暖期大负荷出现在12月至2月。根据逐时负荷计算，该建筑的设计热负荷小于设计冷负荷，这样会造成空调设计负荷不能承受大负荷，而导致不能连续工作，因此，在部分负荷状态下了解系统运行特点对提高系统运行是非常有必要的。

TD-016C型 RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统

产品关键词：地源热泵测温，地埋管测温

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；

地源热泵热平衡问题分析与工程应用

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