李晉玲

(合肥漢達(dá)空調(diào)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(dá)空調(diào)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(shù)是最具發(fā)展?jié)摿Φ牟膳照{(diào)技術(shù)之一。地埋管群由于改變了土壤的原生態(tài)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(jìn)行全年動態(tài)的總負(fù)荷計算土壤溫度的實際數(shù)值進(jìn)行測量。同時建立模型模擬運行狀態(tài)，在地埋管水系統(tǒng)供回水總管上設(shè)有專用數(shù)字式測溫電纜、數(shù)字式溫度傳感器和遠(yuǎn)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(jiān)測，及時地調(diào)整土壤源熱泵系統(tǒng)的使用，從而實現(xiàn)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(tài)負(fù)荷；計算量化

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

（一）產(chǎn)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(fù)荷相差過大，這是造成地下熱失衡問題的根源。其次，設(shè)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(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)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(tǒng)長期高效運行，就必須保證全年內(nèi)冬夏季土壤取放熱量基本一致。達(dá)到土壤資源可持續(xù)再生利用。

由于安徽地區(qū)夏季制冷負(fù)荷較大，冬季采暖負(fù)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(tǒng)效率下降，最終無法運行。

其次，設(shè)計的熱平衡措施由于對地質(zhì)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(dāng)，管理人員缺乏相關(guān)專業(yè)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(jìn)行全年動態(tài)總負(fù)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(jiān)測，及時地調(diào)整土壤源熱泵系統(tǒng)的使用，從而實現(xiàn)地下土壤的熱平衡，確保長期低耗高效運行。

創(chuàng)新1--因地制宜，設(shè)計規(guī)劃

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

創(chuàng)新2--實驗先導(dǎo)，設(shè)計復(fù)核落實

為了確定設(shè)計參數(shù)，該地源熱泵項目采用了設(shè)計先導(dǎo)，設(shè)計復(fù)核落實的模式。

在埋管施工區(qū)域選擇三孔施工好的地埋管進(jìn)行熱響應(yīng)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(shè)備連接完畢后，對測試設(shè)備及外圍設(shè)備的連接進(jìn)行檢查；

F 對試驗孔換熱管道進(jìn)行清洗、排氣；

G 啟動測試設(shè)備，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始讀取、記錄試驗數(shù)據(jù)；

H 試驗結(jié)束后，做好試驗孔的保護工作。

（2）巖土熱響應(yīng)試驗應(yīng)符合以下要求：

A 試驗期間，加熱功率應(yīng)保持恒定；

B 地埋管換熱器內(nèi)的流體流速應(yīng)確保流體處于紊流狀態(tài)，流速不應(yīng)低于0.2m/s；

C 巖土熱響應(yīng)試驗采集參數(shù)應(yīng)包括循環(huán)水流量、加熱功率、進(jìn)出管口水溫；數(shù)據(jù)采集的時間間隔不大于5min；

D 巖土熱響應(yīng)試驗應(yīng)連續(xù)不間斷，持續(xù)時間宜不少于48h；

E地埋管換熱器的出口水溫穩(wěn)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(yīng)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(yīng)試驗前應(yīng)盡量減少對試驗孔原始地溫的影響，重新進(jìn)行熱響應(yīng)試驗時應(yīng)待巖土溫度恢復(fù)后進(jìn)行。

創(chuàng)新3--量化控制，智能平衡

（1）地埋管水系統(tǒng)設(shè)計及控制：

采用一次泵定流量系統(tǒng)，分 118個環(huán)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(shè)方式，敷設(shè)于地下二層結(jié)構(gòu)板下2～2.5m。水系統(tǒng)采用全自動落地式定壓裝置定壓補水。根據(jù)其大小調(diào)節(jié)地源熱泵機組臺數(shù)，水泵與主機采用一對一方式運行。

（2）土壤熱平衡措施設(shè)計：

在地埋管水系統(tǒng)供回水總管線路上設(shè)有專用數(shù)字式測溫電纜、數(shù)字式溫度傳感器和遠(yuǎn)距離專用溫度采集模塊。夏季制冷時，優(yōu)先運行帶部分熱回收地源熱泵機組,通過調(diào)節(jié)其運行時間實現(xiàn)土壤全年熱平衡。

（3）土壤溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)設(shè)計：

對每個采集點垂直方向在不同巖土層結(jié)構(gòu)中溫度進(jìn)行測量，設(shè)計的12個溫度采集點，主要記錄土壤源熱泵系統(tǒng)運行時地下溫度場的變化，現(xiàn)在地埋管區(qū)域20米位置（分別在樓房西側(cè)和南側(cè)）增加兩個溫度采集點，在該溫度采集點與地埋管區(qū)域之間每隔 5米增加一個溫度采集點，用于測量地埋管區(qū)域外受該地埋管區(qū)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(jù)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(fā)射的方式連接至機房。在采集點位置設(shè)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(nèi)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(shù)據(jù)將被用來建立數(shù)學(xué)模型，并采用智能軟件調(diào)節(jié)取放熱量，保持土壤熱平衡，達(dá)到系統(tǒng)高效運行的目的。

（三）研究方法、研究路線（應(yīng)注明擬采取的試驗方法、工藝流程、依托工程等）

1、設(shè)計初步控制程序，擁有記錄、計算和控制功能

中央空調(diào)控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器(PLC)單元，控制軟件等組成。不光能進(jìn)行溫度控制，還能有效延長空調(diào)系統(tǒng)使用壽命(15-20倍)，并大幅度地節(jié)約電能。主要性能和特點：準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度控制，提供更舒適的環(huán)境，降低噪音，平均節(jié)電率可達(dá) 20%以上，保護環(huán)境。能對系統(tǒng)在不同時間段的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，在系統(tǒng)超負(fù)荷運行時報警并立即切斷電源。

2、提交土壤源熱泵系統(tǒng)運行控制程序和設(shè)計、施工及運行管理辦法

通過測量并記錄地下埋管區(qū)的初始溫度、運行期間的溫度、地埋管水系統(tǒng)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(guān)時間和運行時間，對原控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，使得控制系統(tǒng)隨著室外溫度、地下溫度場的變化而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，自動開啟地源熱泵機組、冷水機組和冷卻塔等，實現(xiàn)真正意義上的空調(diào)系統(tǒng)獨立運行，智能控制。實現(xiàn)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(tǒng)高效安全運行。

◆工程規(guī)模及內(nèi)容

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

主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)特征

主要技術(shù)指標(biāo):1、采用常見的"常規(guī)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(tǒng)。

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(tǒng)，分118個環(huán)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(shè)方式，敷設(shè)于地下二層結(jié)構(gòu)板下2～2.5m。水系統(tǒng)采用全自動落地式定壓裝置定壓補水。

4、采用遠(yuǎn)距離專用溫度采集模塊、專用數(shù)字式測溫電纜和數(shù)字式溫度傳感器。。夏季制冷時，優(yōu)先運行帶部分熱回收地源熱泵機組,通過調(diào)節(jié)其運行時間實現(xiàn)土壤全年熱平衡。

5、采用一套光纖分布式專用數(shù)字式測溫電纜和數(shù)字式溫度傳感器對每個采集點垂直方向在不同巖土層結(jié)構(gòu)中溫度進(jìn)行測量，對地埋管區(qū)域的土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行全年實時監(jiān)控采集分析。

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1007-6344（2015）09-0048-01