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)

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(duì)擬建的工程項(xiàng)目進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)的總負(fù)荷計(jì)算土壤溫度的實(shí)際數(shù)值進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)建立模型模擬運(yùn)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(cè)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(jì)算和對(duì)地下溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)地調(diào)整土壤源熱泵系統(tǒng)的使用，從而實(shí)現(xiàn)地下土壤的熱平衡，確保長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

土壤源熱泵；熱平衡；動(dòng)態(tài)負(fù)荷；計(jì)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(jiǎn)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(dòng),從而實(shí)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(jì)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(yùn)行管理不善，也會(huì)造成全年度地下熱失衡問題。

（二）主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點(diǎn)

用量化的方式解決土壤源熱泵地下熱平衡問題科研項(xiàng)目的目的和意義:要保持土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)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(zhǎng)期運(yùn)行，很容易造成土壤"熱堆積"，長(zhǎng)此以往，勢(shì)必造成系統(tǒng)效率下降，最終無法運(yùn)行。

其次，設(shè)計(jì)的熱平衡措施由于對(duì)地質(zhì)與工程實(shí)際運(yùn)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(yùn)行管理不當(dāng)，管理人員缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

用量化的方式解決土壤源熱泵地下熱平衡問題就是要對(duì)擬建項(xiàng)目進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)總負(fù)荷計(jì)算，并建立模型模擬。通過定量的計(jì)算和對(duì)地下溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)地調(diào)整土壤源熱泵系統(tǒng)的使用，從而實(shí)現(xiàn)地下土壤的熱平衡，確保長(zhǎng)期低耗高效運(yùn)行。

創(chuàng)新1--因地制宜，設(shè)計(jì)規(guī)劃

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

創(chuàng)新2--實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)，設(shè)計(jì)復(fù)核落實(shí)

為了確定設(shè)計(jì)參數(shù)，該地源熱泵項(xiàng)目采用了設(shè)計(jì)先導(dǎo)，設(shè)計(jì)復(fù)核落實(shí)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(yàn)，鉆孔編號(hào)為6-4、30-1和72-5。具體方法是：

（1）施工步驟：

A 制作試驗(yàn)孔；

B 測(cè)試巖土原始溫度；

C 平整試驗(yàn)場(chǎng)地，提供水、電接駁點(diǎn)；

D 測(cè)試儀器與試驗(yàn)孔管道連接；

E 水、電等外部設(shè)備連接完畢后，對(duì)測(cè)試設(shè)備及外圍設(shè)備的連接進(jìn)行檢查；

F 對(duì)試驗(yàn)孔換熱管道進(jìn)行清洗、排氣；

G 啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始讀取、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

H 試驗(yàn)結(jié)束后，做好試驗(yàn)孔的保護(hù)工作。

（2）巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)應(yīng)符合以下要求：

A 試驗(yàn)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(yàn)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(shí)間間隔不大于5min；

D 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)不間斷，持續(xù)時(shí)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(shí)間應(yīng)不少于 12h，釋熱試驗(yàn)時(shí)出口水溫不宜高于 33℃，吸熱試驗(yàn)時(shí)出口溫度不宜低于7℃。

F 熱響應(yīng)試驗(yàn)前應(yīng)盡量減少對(duì)試驗(yàn)孔原始地溫的影響，重新進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)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(jì)及控制：

采用一次泵定流量系統(tǒng)，分 118個(gè)環(huán)路接到地下三層冷凍機(jī)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(dòng)落地式定壓裝置定壓補(bǔ)水。根據(jù)其大小調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組臺(tái)數(shù)，水泵與主機(jī)采用一對(duì)一方式運(yùn)行。

（2）土壤熱平衡措施設(shè)計(jì)：

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(cè)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(shí)，優(yōu)先運(yùn)行帶部分熱回收地源熱泵機(jī)組,通過調(diào)節(jié)其運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)土壤全年熱平衡。

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

對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)垂直方向在不同巖土層結(jié)構(gòu)中溫度進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)的12個(gè)溫度采集點(diǎn)，主要記錄土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)地下溫度場(chǎng)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(gè)溫度采集點(diǎn)，在該溫度采集點(diǎn)與地埋管區(qū)域之間每隔 5米增加一個(gè)溫度采集點(diǎn)，用于測(cè)量地埋管區(qū)域外受該地埋管區(qū)域影響的地下溫度場(chǎng)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(gè)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(jī)房。在采集點(diǎn)位置設(shè)計(jì)專門的小型檢查井，用于溫度傳感器的維護(hù)和檢修。

測(cè)量并記錄室外和室內(nèi)溫度的變化。

以上溫度均傳輸至機(jī)房并顯示于機(jī)房懸掛顯示屏。

運(yùn)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(yùn)行的目的。

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

1、設(shè)計(jì)初步控制程序，擁有記錄、計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)：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(hù)環(huán)境。能對(duì)系統(tǒng)在不同時(shí)間段的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，在系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)報(bào)警并立即切斷電源。

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

通過測(cè)量并記錄地下埋管區(qū)的初始溫度、運(yùn)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(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，對(duì)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(chǎng)的變化而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)開啟地源熱泵機(jī)組、冷水機(jī)組和冷卻塔等，實(shí)現(xiàn)真正意義上的空調(diào)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，智能控制。實(shí)現(xiàn)地下溫度場(chǎng)的熱平衡并計(jì)算能量消耗。提出切實(shí)可行的運(yùn)行管理辦法，確保土壤源熱泵系統(tǒng)高效安全運(yùn)行。

◆工程規(guī)模及內(nèi)容

某時(shí)代廣場(chǎng)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(jì)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(xiàng)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(guó)均具有多項(xiàng)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(jī)組+地源熱泵機(jī)組（帶全熱或部分熱回收）機(jī)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(gè)環(huán)路接至地下三層冷凍機(jī)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(dòng)落地式定壓裝置定壓補(bǔ)水。

4、采用遠(yuǎn)距離專用溫度采集模塊、專用數(shù)字式測(cè)溫電纜和數(shù)字式溫度傳感器。。夏季制冷時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行帶部分熱回收地源熱泵機(jī)組,通過調(diào)節(jié)其運(yùn)行時(shí)間實(shí)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(cè)溫電纜和數(shù)字式溫度傳感器對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)垂直方向在不同巖土層結(jié)構(gòu)中溫度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)地埋管區(qū)域的土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行全年實(shí)時(shí)監(jiān)控采集分析。

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1007-6344（2015）09-0048-01