李晋玲

(合肥汉达空调有限公司)

用量化的方法解决土壤源热泵热平衡浅析

李晋玲

(合肥汉达空调有限公司)

以浅层土壤热能作为热泵冷热源的土壤源热泵技术是最具发展潜力的采暖空调技术之一。地埋管群由于改变了土壤的原生态温度分布情况，就必须解决土壤源地下热失衡的问题。用量化的方式解决土壤源热泵地下热平衡问题就是要对拟建的工程项目进行全年动态的总负荷计算土壤温度的实际数值进行测量。同时建立模型模拟运行状态，在地埋管水系统供回水总管上设有专用数字式测温电缆、数字式温度传感器和远距离专用温度采集模块、，通过定量的计算和对地下温度场的监测，及时地调整土壤源热泵系统的使用，从而实现地下土壤的热平衡，确保长期高效运行。

土壤源热泵；热平衡；动态负荷；计算量化

土壤源热泵,是地下耦合热泵系统（Ground-coupled heat pump systems）的简称，又称为地下热交换器热泵系统（Ground heat exchanger heat pump systems）,一般通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水溶液）作为源侧热载体,在埋设于地下土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

（一）产生地下热失衡问题的原因以及造成的危害：

首先是由于建筑物全年冷、热负荷相差过大，这是造成地下热失衡问题的根源。其次，设计不合理也是造成热失衡问题的人为因素之一。第三，地源热泵运行管理不善，也会造成全年度地下热失衡问题。

（二）主要研究内容和关键技术、创新点

用量化的方式解决土壤源热泵地下热平衡问题科研项目的目的和意义:要保持土壤源热泵系统长期高效运行，就必须保证全年内冬夏季土壤取放热量基本一致。达到土壤资源可持续再生利用。

由于安徽地区夏季制冷负荷较大，冬季采暖负荷偏小，土壤源热泵长期运行，很容易造成土壤"热堆积"，长此以往，势必造成系统效率下降，最终无法运行。

其次，设计的热平衡措施由于对地质与工程实际运行存在较大差距，是造成热平衡问题的主观因素之一。

第三，运行管理不当，管理人员缺乏相关专业知识。

用量化的方式解决土壤源热泵地下热平衡问题就是要对拟建项目进行全年动态总负荷计算，并建立模型模拟。通过定量的计算和对地下温度场的监测，及时地调整土壤源热泵系统的使用，从而实现地下土壤的热平衡，确保长期低耗高效运行。

创新1--因地制宜，设计规划

某时代广场项目为高密度开发项目，该项目地源热泵设计方案综合考虑了各种不利因素，结合项目实际，在地库基础与抗浮锚杆之间实施地埋管，在负二层地库设计了专门的管廊，确保项目顺利实施。

创新2--实验先导，设计复核落实

为了确定设计参数，该地源热泵项目采用了设计先导，设计复核落实的模式。

在埋管施工区域选择三孔施工好的地埋管进行热响应试验，钻孔编号为6-4、30-1和72-5。具体方法是：

（1）施工步骤：

A 制作试验孔；

B 测试岩土原始温度；

C 平整试验场地，提供水、电接驳点；

D 测试仪器与试验孔管道连接；

E 水、电等外部设备连接完毕后，对测试设备及外围设备的连接进行检查；

F 对试验孔换热管道进行清洗、排气；

G 启动测试设备，运转稳定后开始读取、记录试验数据；

H 试验结束后，做好试验孔的保护工作。

（2）岩土热响应试验应符合以下要求：

A 试验期间，加热功率应保持恒定；

B 地埋管换热器内的流体流速应确保流体处于紊流状态，流速不应低于0.2m/s；

C 岩土热响应试验采集参数应包括循环水流量、加热功率、进出管口水温；数据采集的时间间隔不大于5min；

D 岩土热响应试验应连续不间断，持续时间宜不少于48h；

E地埋管换热器的出口水温稳定后，该温度宜与岩土原始平均温度相差5℃以上，且维持时间应不少于 12h，释热试验时出口水温不宜高于 33℃，吸热试验时出口温度不宜低于7℃。

F 热响应试验前应尽量减少对试验孔原始地温的影响，重新进行热响应试验时应待岩土温度恢复后进行。

创新3--量化控制，智能平衡

（1）地埋管水系统设计及控制：

采用一次泵定流量系统，分 118个环路接到地下三层冷冻机房地埋管分集水器，水平干管采用直埋敷设方式，敷设于地下二层结构板下2～2.5m。水系统采用全自动落地式定压装置定压补水。根据其大小调节地源热泵机组台数，水泵与主机采用一对一方式运行。

（2）土壤热平衡措施设计：

在地埋管水系统供回水总管线路上设有专用数字式测温电缆、数字式温度传感器和远距离专用温度采集模块。夏季制冷时，优先运行带部分热回收地源热泵机组,通过调节其运行时间实现土壤全年热平衡。

（3）土壤温度数据监测采集系统设计：

对每个采集点垂直方向在不同岩土层结构中温度进行测量，设计的12个温度采集点，主要记录土壤源热泵系统运行时地下温度场的变化，现在地埋管区域20米位置（分别在楼房西侧和南侧）增加两个温度采集点，在该温度采集点与地埋管区域之间每隔 5米增加一个温度采集点，用于测量地埋管区域外受该地埋管区域影响的地下温度场范围及其变化。

具体施工方法是：在施工好的钻孔中（孔深120米）分别下置d40的HDPE管一根，在管中根据不同深度安置12个温度传感器。温度的传输可以直接接入或用无线发射的方式连接至机房。在采集点位置设计专门的小型检查井，用于温度传感器的维护和检修。

测量并记录室外和室内温度的变化。

以上温度均传输至机房并显示于机房悬挂显示屏。

运行一定周期后的数据将被用来建立数学模型，并采用智能软件调节取放热量，保持土壤热平衡，达到系统高效运行的目的。

（三）研究方法、研究路线（应注明拟采取的试验方法、工艺流程、依托工程等）

1、设计初步控制程序，拥有记录、计算和控制功能

中央空调控制系统是由传感器、控制器(PLC)单元，控制软件等组成。不光能进行温度控制，还能有效延长空调系统使用寿命(15-20倍)，并大幅度地节约电能。主要性能和特点：准确地进行温度控制，提供更舒适的环境，降低噪音，平均节电率可达 20%以上，保护环境。能对系统在不同时间段的工作状态进行设置，在系统超负荷运行时报警并立即切断电源。

2、提交土壤源热泵系统运行控制程序和设计、施工及运行管理办法

通过测量并记录地下埋管区的初始温度、运行期间的温度、地埋管水系统供回水总管上温度和流量和电脑控制土壤源热泵、备用冷源的开关时间和运行时间，对原控制系统进行修正，使得控制系统随着室外温度、地下温度场的变化而进行自动调节，自动开启地源热泵机组、冷水机组和冷却塔等，实现真正意义上的空调系统独立运行，智能控制。实现地下温度场的热平衡并计算能量消耗。提出切实可行的运行管理办法，确保土壤源热泵系统高效安全运行。

◆工程规模及内容

某时代广场是集办公、酒店、商业、公寓于一体的城市综合体，采用了前瞻性的绿色、环保、节能、节水设计和施工理念，在贯彻绿色建筑和环保节能新理念等方面取得多项科技创新成果，特别是地库下方土壤源地源热泵的应用在安徽乃至全国均具有多项创新。

主要技术指标与技术特征

主要技术指标:1、采用常见的"常规冷水机组+地源热泵机组（带全热或部分热回收）机组"混合式系统。

2、采用垂直埋管方式，钻孔间距4.0米*4.0米，钻孔深度为105米，有效深度100米，钻孔孔径150MM，采用双U,地埋管采用PE管，管径为d25。

3、采用一次泵定流量系统，分118个环路接至地下三层冷冻机房地埋管分集水器，水平干管采用直埋敷设方式，敷设于地下二层结构板下2～2.5m。水系统采用全自动落地式定压装置定压补水。

4、采用远距离专用温度采集模块、专用数字式测温电缆和数字式温度传感器。。夏季制冷时，优先运行带部分热回收地源热泵机组,通过调节其运行时间实现土壤全年热平衡。

5、采用一套光纤分布式专用数字式测温电缆和数字式温度传感器对每个采集点垂直方向在不同岩土层结构中温度进行测量，对地埋管区域的土壤温度数据进行全年实时监控采集分析。

G322

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1007-6344（2015）09-0048-01