用量化的方法解決土壤源熱泵熱平衡淺析

李晉玲

(合肥漢達空調有限公司)

用量化的方法解決土壤源熱泵熱平衡淺析

李晉玲

(合肥漢達空調有限公司)

以淺層土壤熱能作為熱泵冷熱源的土壤源熱泵技術是最具發展潛力的采暖空調技術之一。地埋管群由于改變了土壤的原生態溫度分布情況，就必須解決土壤源地下熱失衡的問題。用量化的方式解決土壤源熱泵地下熱平衡問題就是要對擬建的工程項目進行全年動態的總負荷計算土壤溫度的實際數值進行測量。同時建立模型模擬運行狀態，在地埋管水系統供回水總管上設有專用數字式測溫電纜、數字式溫度傳感器和遠距離專用溫度采集模塊、，通過定量的計算和對地下溫度場的監測，及時地調整土壤源熱泵系統的使用，從而實現地下土壤的熱平衡，確保長期高效運行。

土壤源熱泵；熱平衡；動態負荷；計算量化

土壤源熱泵,是地下耦合熱泵系統（Ground-coupled heat pump systems）的簡稱，又稱為地下熱交換器熱泵系統（Ground heat exchanger heat pump systems）,一般通過中間介質（通常為水或者是加入防凍劑的水溶液）作為源側熱載體,在埋設于地下土壤內部的封閉環路（土壤換熱器）中循環流動,從而實現與大地土壤進行熱交換的目的。

（一）產生地下熱失衡問題的原因以及造成的危害：

首先是由于建筑物全年冷、熱負荷相差過大，這是造成地下熱失衡問題的根源。其次，設計不合理也是造成熱失衡問題的人為因素之一。第三，地源熱泵運行管理不善，也會造成全年度地下熱失衡問題。

（二）主要研究內容和關鍵技術、創新點

用量化的方式解決土壤源熱泵地下熱平衡問題科研項目的目的和意義:要保持土壤源熱泵系統長期高效運行，就必須保證全年內冬夏季土壤取放熱量基本一致。達到土壤資源可持續再生利用。

由于安徽地區夏季制冷負荷較大，冬季采暖負荷偏小，土壤源熱泵長期運行，很容易造成土壤"熱堆積"，長此以往，勢必造成系統效率下降，最終無法運行。

其次，設計的熱平衡措施由于對地質與工程實際運行存在較大差距，是造成熱平衡問題的主觀因素之一。

第三，運行管理不當，管理人員缺乏相關專業知識。

用量化的方式解決土壤源熱泵地下熱平衡問題就是要對擬建項目進行全年動態總負荷計算，并建立模型模擬。通過定量的計算和對地下溫度場的監測，及時地調整土壤源熱泵系統的使用，從而實現地下土壤的熱平衡，確保長期低耗高效運行。

創新1--因地制宜，設計規劃

某時代廣場項目為高密度開發項目，該項目地源熱泵設計方案綜合考慮了各種不利因素，結合項目實際，在地庫基礎與抗浮錨桿之間實施地埋管，在負二層地庫設計了專門的管廊，確保項目順利實施。

創新2--實驗先導，設計復核落實

為了確定設計參數，該地源熱泵項目采用了設計先導，設計復核落實的模式。

在埋管施工區域選擇三孔施工好的地埋管進行熱響應試驗，鉆孔編號為6-4、30-1和72-5。具體方法是：

（1）施工步驟：

A 制作試驗孔；

B 測試巖土原始溫度；

C 平整試驗場地，提供水、電接駁點；

D 測試儀器與試驗孔管道連接；

E 水、電等外部設備連接完畢后，對測試設備及外圍設備的連接進行檢查；

F 對試驗孔換熱管道進行清洗、排氣；

G 啟動測試設備，運轉穩定后開始讀取、記錄試驗數據；

H 試驗結束后，做好試驗孔的保護工作。

（2）巖土熱響應試驗應符合以下要求：

A 試驗期間，加熱功率應保持恒定；

B 地埋管換熱器內的流體流速應確保流體處于紊流狀態，流速不應低于0.2m/s；

C 巖土熱響應試驗采集參數應包括循環水流量、加熱功率、進出管口水溫；數據采集的時間間隔不大于5min；

D 巖土熱響應試驗應連續不間斷，持續時間宜不少于48h；

E地埋管換熱器的出口水溫穩定后，該溫度宜與巖土原始平均溫度相差5℃以上，且維持時間應不少于 12h，釋熱試驗時出口水溫不宜高于 33℃，吸熱試驗時出口溫度不宜低于7℃。

F 熱響應試驗前應盡量減少對試驗孔原始地溫的影響，重新進行熱響應試驗時應待巖土溫度恢復后進行。

創新3--量化控制，智能平衡

（1）地埋管水系統設計及控制：

采用一次泵定流量系統，分 118個環路接到地下三層冷凍機房地埋管分集水器，水平干管采用直埋敷設方式，敷設于地下二層結構板下2～2.5m。水系統采用全自動落地式定壓裝置定壓補水。根據其大小調節地源熱泵機組臺數，水泵與主機采用一對一方式運行。

（2）土壤熱平衡措施設計：

在地埋管水系統供回水總管線路上設有專用數字式測溫電纜、數字式溫度傳感器和遠距離專用溫度采集模塊。夏季制冷時，優先運行帶部分熱回收地源熱泵機組,通過調節其運行時間實現土壤全年熱平衡。

（3）土壤溫度數據監測采集系統設計：

對每個采集點垂直方向在不同巖土層結構中溫度進行測量，設計的12個溫度采集點，主要記錄土壤源熱泵系統運行時地下溫度場的變化，現在地埋管區域20米位置（分別在樓房西側和南側）增加兩個溫度采集點，在該溫度采集點與地埋管區域之間每隔 5米增加一個溫度采集點，用于測量地埋管區域外受該地埋管區域影響的地下溫度場范圍及其變化。

具體施工方法是：在施工好的鉆孔中（孔深120米）分別下置d40的HDPE管一根，在管中根據不同深度安置12個溫度傳感器。溫度的傳輸可以直接接入或用無線發射的方式連接至機房。在采集點位置設計專門的小型檢查井，用于溫度傳感器的維護和檢修。

測量并記錄室外和室內溫度的變化。

以上溫度均傳輸至機房并顯示于機房懸掛顯示屏。

運行一定周期后的數據將被用來建立數學模型，并采用智能軟件調節取放熱量，保持土壤熱平衡，達到系統高效運行的目的。

（三）研究方法、研究路線（應注明擬采取的試驗方法、工藝流程、依托工程等）

1、設計初步控制程序，擁有記錄、計算和控制功能

中央空調控制系統是由傳感器、控制器(PLC)單元，控制軟件等組成。不光能進行溫度控制，還能有效延長空調系統使用壽命(15-20倍)，并大幅度地節約電能。主要性能和特點：準確地進行溫度控制，提供更舒適的環境，降低噪音，平均節電率可達 20%以上，保護環境。能對系統在不同時間段的工作狀態進行設置，在系統超負荷運行時報警并立即切斷電源。

2、提交土壤源熱泵系統運行控制程序和設計、施工及運行管理辦法

通過測量并記錄地下埋管區的初始溫度、運行期間的溫度、地埋管水系統供回水總管上溫度和流量和電腦控制土壤源熱泵、備用冷源的開關時間和運行時間，對原控制系統進行修正，使得控制系統隨著室外溫度、地下溫度場的變化而進行自動調節，自動開啟地源熱泵機組、冷水機組和冷卻塔等，實現真正意義上的空調系統獨立運行，智能控制。實現地下溫度場的熱平衡并計算能量消耗。提出切實可行的運行管理辦法，確保土壤源熱泵系統高效安全運行。

◆工程規模及內容

某時代廣場是集辦公、酒店、商業、公寓于一體的城市綜合體，采用了前瞻性的綠色、環保、節能、節水設計和施工理念，在貫徹綠色建筑和環保節能新理念等方面取得多項科技創新成果，特別是地庫下方土壤源地源熱泵的應用在安徽乃至全國均具有多項創新。

主要技術指標與技術特征

主要技術指標:1、采用常見的"常規冷水機組+地源熱泵機組（帶全熱或部分熱回收）機組"混合式系統。

2、采用垂直埋管方式，鉆孔間距4.0米*4.0米，鉆孔深度為105米，有效深度100米，鉆孔孔徑150MM，采用雙U,地埋管采用PE管，管徑為d25。

3、采用一次泵定流量系統，分118個環路接至地下三層冷凍機房地埋管分集水器，水平干管采用直埋敷設方式，敷設于地下二層結構板下2～2.5m。水系統采用全自動落地式定壓裝置定壓補水。

4、采用遠距離專用溫度采集模塊、專用數字式測溫電纜和數字式溫度傳感器。。夏季制冷時，優先運行帶部分熱回收地源熱泵機組,通過調節其運行時間實現土壤全年熱平衡。

5、采用一套光纖分布式專用數字式測溫電纜和數字式溫度傳感器對每個采集點垂直方向在不同巖土層結構中溫度進行測量，對地埋管區域的土壤溫度數據進行全年實時監控采集分析。

G322

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1007-6344（2015）09-0048-01