徐生恒，彭　濤，王秉忱，武　強(qiáng)，張　軍，畢文明

(1.恒有源科技發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 100093；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；4.北京中科華譽(yù)能源技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100083；5.北京華清榮昊新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102209)

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地源熱泵技術(shù)研究新進(jìn)展

徐生恒1，彭濤2，王秉忱2，武強(qiáng)3，張軍4，畢文明5

(1.恒有源科技發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 100093；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；4.北京中科華譽(yù)能源技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100083；5.北京華清榮昊新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102209)

[摘要]簡要介紹十二五期間地源熱泵技術(shù)的部分研究進(jìn)展，包括采用分布式光纖測溫系統(tǒng)測溫、利用柱模型計(jì)算測試結(jié)果、可得到厚度大于0.25 m地層熱物性參數(shù)的新型巖土熱物性測試的研發(fā)，單井循環(huán)換熱地能采集井示范研究與技術(shù)規(guī)范編制；單井循環(huán)換熱地能采集井模型研究及地溫場預(yù)測評(píng)價(jià)；智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)軟件(High Efficient智能能源管理系統(tǒng))的研發(fā)等。

[關(guān)鍵詞]地源熱泵；巖土熱物性測試儀；單井循環(huán)換熱地能采集井；地溫場；智能能源管理系統(tǒng)

筑物智能供暖、發(fā)展地能熱冷一體化新興產(chǎn)業(yè)方面工作。

1國內(nèi)外地源熱泵技術(shù)的研究概況

目前，國內(nèi)外地源熱泵技術(shù)的研究還存在以下幾個(gè)方面的不足：

(1)巖土熱物性參數(shù)是土壤源地源熱泵設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確性、代表性對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但目前的測試技術(shù)沒有對地層進(jìn)行分層測試，得出的巖土熱物性參數(shù)是一個(gè)全孔深的綜合參數(shù)，既不能將地表變溫層對測試的影響剔除，也不能反映地下各地層的分層熱物性參數(shù)，以至于不能很好的判別地下各層對熱泵效率的貢獻(xiàn)大小，導(dǎo)致地埋管設(shè)計(jì)深度缺乏針對性，不能做到既經(jīng)濟(jì)又節(jié)能。

(2)地下水源地源熱泵的回灌技術(shù)還不成熟，造成回灌困難，部分用戶偷排地下水，以至于部分地區(qū)不得不限制地下水源地源熱泵的使用。

(3)對于地源熱泵的規(guī)?；瘧?yīng)用產(chǎn)生的地下溫度場變化與影響還缺乏深入研究。

(4)對于從地源熱泵系統(tǒng)中小規(guī)模應(yīng)用轉(zhuǎn)向大規(guī)模應(yīng)用所需的監(jiān)測、監(jiān)管技術(shù)還不系統(tǒng)、不完善，對地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用過程中產(chǎn)生的問題難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管。

本文簡要介紹了十二五期間我國地源熱泵研究的部分成果。

2新型巖土熱物性測試儀器研發(fā)

2.1新型巖土熱物性測試儀設(shè)計(jì)

新型巖土熱響應(yīng)測試儀器由車載式熱響應(yīng)測試儀和分布式光纖測溫系統(tǒng)組成，其中，分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由光纖傳感器、通道擴(kuò)展模塊、光纖信號(hào)調(diào)節(jié)儀構(gòu)成(圖1)。測試前，將光纖傳感器深入地埋管中，沿縱向空間分布在不同的巖土層內(nèi)，可測得不同深度的巖土層原始溫度和每一層的地埋管內(nèi)循環(huán)溫度，通過柱熱源模型計(jì)算，最終獲得不同深度地層的巖土熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、體積熱比)。

1-車載式熱響應(yīng)測試儀；2-鋼塑轉(zhuǎn)換；3-光纖傳感器；4-叉三通；5-HDPE管；6-通道擴(kuò)展模塊；7-光纖信號(hào)調(diào)節(jié)儀

圖1分布式光纖測溫系統(tǒng)與車載式熱響應(yīng)測試儀連接示意圖

2.2模型分析及算法

常規(guī)的用于穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)測試的數(shù)據(jù)分析模型包括無限長線熱源模型、有限長線熱源模型和柱熱源模型，三個(gè)模型都是將地埋管換熱器看成一個(gè)整體進(jìn)行分析，若考察對象為每個(gè)地層，當(dāng)某個(gè)地層厚度較小時(shí)，地埋管換熱器管徑與長度比值變大，顯然不能作為線熱源模型考慮，因此只能采用柱熱源模型進(jìn)行分析。分層的穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)測試，對于整個(gè)換熱孔來說，加熱功率(熱量)是穩(wěn)定的，但是對于每個(gè)地層來說，其熱功率(熱量)是不穩(wěn)定的，并且是不規(guī)律變化的，因此，必須對柱熱源模型進(jìn)行改進(jìn)，以適合變熱流的熱響應(yīng)測試分析。

2.2.1模型分析

本課題以柱熱源模型為基礎(chǔ)，提出分層柱熱源模型分析方法，用于分析地下巖土分層(圖2)。

圖2　巖土分層模型

分層柱熱源模型將巖土中換熱的柱體結(jié)構(gòu)沿縱向分解成若干層，每層換熱功率可通過該層每根管的進(jìn)出口水溫差及流量計(jì)算，然后利用柱熱源模型計(jì)算公式，將不同時(shí)刻多個(gè)時(shí)間步長的溫度響應(yīng)進(jìn)行疊加計(jì)算。最終可分析出不同地層巖土熱物性參數(shù)及換熱特性。

2.2.2柱熱源模型的改進(jìn)

Carslaw在線熱源模型的基礎(chǔ)上提出了柱熱源傳熱模型。該模型把地下埋管看作是一個(gè)具有一定半徑的理想圓柱導(dǎo)體，以恒定的放熱率向周圍無限大、常物性的巖土散發(fā)熱量，并給出了某時(shí)刻，距離柱熱源軸線處的巖土溫度表達(dá)式。

(1)

(2)

對于垂直式U型地下埋管，為了能夠更好地通過柱熱源模型進(jìn)行求解。以單U管為例，需要把U型管等效為一個(gè)當(dāng)量直徑為De的當(dāng)量圓柱管(圖3)。這樣，把當(dāng)量圓柱管與循環(huán)水看作是柱熱源，即rcyl=re。

圖3　當(dāng)量圓柱管示意圖

為了修正U型管中兩支管間熱流短路的影響，及U型管數(shù)量問題，Kavanaugh在原流體與導(dǎo)管外壁的溫差公式的基礎(chǔ)上，添加了熱流短路修正因數(shù)C和U型管數(shù)N：

(3)

N=1時(shí)，C=0.85；N=2時(shí)，C=0.6～0.7。循環(huán)流體的平均溫度可以表示為：

(4)

當(dāng)量圓管熱阻Rb由兩部分熱阻組成，分別是循環(huán)介質(zhì)與管內(nèi)壁的對流換熱熱阻Rc，管壁導(dǎo)熱熱阻Rp。

他們之間的關(guān)系為：

(5)

Carslaw指出，當(dāng)傅里葉數(shù)z取較大值時(shí)，公式可以表示為：

(6)

通過公式(3)-(6)，可以得到保留有限項(xiàng)的垂直單U型管換熱器簡化柱熱源模型的單層循環(huán)流體平均溫度的表達(dá)式：

(7)

Qk=1 163×G×ΔTk

(8)

2.2.3算法

采用分層柱熱源模型處理數(shù)據(jù)，可計(jì)算測試孔內(nèi)不同深度進(jìn)、出口水溫變化，分析不同地層換熱情況，比傳統(tǒng)模型更加精確。

在實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法中，溫度、流量等參數(shù)可以直接測得，而巖土導(dǎo)熱系數(shù)必須通過測量溫度和熱流量，用相應(yīng)的傳熱模型進(jìn)行傳熱逆運(yùn)算逼近擬合獲得。

系統(tǒng)開始測試時(shí)，使電加熱器對地埋管中的循環(huán)水進(jìn)行加熱，同時(shí)，開始計(jì)算時(shí)間。在加熱的過程中，記錄下測溫點(diǎn)中溫度的變化情況。

可將每5 m看作是一個(gè)獨(dú)立的地埋管段(圖4)，這其中包含了20個(gè)溫度采集點(diǎn)(t1，t2，t3，……t20)。其流入和流出的水溫分別為模型中的進(jìn)口溫度Tin(t1)和出口溫度Tout(t20)。這一層的出口溫度Tout(t20)也是下一層巖土的進(jìn)口溫度。

若以5 m為管長計(jì)算循環(huán)流體平均溫度Tf=(t1，t2，t3，……t20)/20，其溫差為ΔT=t1-t20，帶入式(8)中得到單層巖土熱功率Q。

采用最小二乘法對分層熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，編寫相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。計(jì)算過程為先估算一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)初始值λs，將λs和Q帶入(7)式，得到單層地埋管內(nèi)循環(huán)流體的平均溫度計(jì)算值。

將循環(huán)流體的平均溫度計(jì)算值與實(shí)測值相比較，逐步調(diào)整導(dǎo)熱系數(shù)λs和體積熱比ρscs，直到計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相比較方差和最小時(shí)，參數(shù)λs、ρscs即為所求的巖土熱物性參數(shù)。

1-光纜；2-溫度采集點(diǎn)；3-地埋管

2.3示范應(yīng)用

示范項(xiàng)目為北京順義某度假酒店二期工程，設(shè)計(jì)測試孔孔深100 m，測試成果如下：

1) 分層熱響應(yīng)試驗(yàn)可以得到不同深度的巖土導(dǎo)熱系數(shù)，見圖5。

2) 地下30～35 m，55～60 m，85～90 m導(dǎo)熱系數(shù)較其他區(qū)域明顯偏高，地下水流經(jīng)該區(qū)域可能性較大。

3)地下85～90 m段導(dǎo)熱系數(shù)最高，90 m后導(dǎo)熱系數(shù)迅速下降。據(jù)此可根據(jù)地埋管成孔費(fèi)用的實(shí)際情況對設(shè)計(jì)孔數(shù)進(jìn)行增減，以求達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。

新型巖土熱物性測試儀已獲國家專利局專利授權(quán)。

圖5　不同地層導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率測井曲線對比圖

3單井循環(huán)換熱地能采集井示范研究與技術(shù)規(guī)范編制

本課題在以下方面進(jìn)行了示范研究：

(1)根據(jù)水文地質(zhì)條件、建筑物冷熱負(fù)荷要求，對采集井的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究。

(2)不同地質(zhì)條件下采集井額定供熱功率的確定。

(3)對采集井關(guān)鍵部分如蓄能顆粒、滲透膜等的研究，確定使用范圍。

在上述研究的基礎(chǔ)上，編制了北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《單井循環(huán)換熱地能采集井工程技術(shù)規(guī)范》(DB11/T935-2012)。該規(guī)范適用于為建筑物供暖、制冷和提供生活熱水的單井循環(huán)換熱地能采集井工程，并對單井循環(huán)換熱地能采集井的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等都做了具體要求。

《規(guī)范》指出，地能采集井按結(jié)構(gòu)可分為：有蓄能顆粒采集井、單一含水層無蓄能顆粒地能采集井和多含水層無蓄能顆粒地能采集井。另外，該《規(guī)范》還規(guī)定了關(guān)于地能采集井設(shè)計(jì)應(yīng)包括的內(nèi)容：搜集擬建地能采集井(井群)地區(qū)的水文地質(zhì)資料；確定地能采集井的類別：有蓄能顆粒地能采集井或無蓄能顆粒采集井；地能采集井區(qū)的范圍、確定地能采集井的數(shù)量和位置；確定地能采集井的結(jié)構(gòu)；確定循環(huán)水量、供熱(冷)功率。

對于地能采集井位置的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)擬建地能采集井區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件確定，同時(shí)，還應(yīng)符合以下要求：靠近機(jī)房；地能采集井位與建(構(gòu))筑物應(yīng)保持足夠的距離；相鄰兩口有蓄能顆粒地能采集井與無蓄能顆粒地能采集井的距離分別不宜小于8 m和10 m；對于地能采集井群，應(yīng)最大限度地保持地能采集井的中心連線的方向與當(dāng)?shù)氐叵滤鞣较虼怪薄?/p>

《規(guī)范》明確了地能采集井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括：地能采集井直徑和深度；蓄能顆粒材料種類、規(guī)格和數(shù)量；隔離膜和阻水換熱壁的結(jié)構(gòu)、性能；導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)和位置。

對于地能采集井功率，該《規(guī)范》指出，夏季運(yùn)行期間地能采集井循環(huán)水的出口最高溫度宜低于33℃；冬季運(yùn)行期間地能采集井循環(huán)水的進(jìn)口最低溫度宜高于4℃。

工程驗(yàn)收作為從設(shè)計(jì)到使用的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，《規(guī)范》要求：隱蔽工程施工記錄應(yīng)齊全，且有全程錄像，并已通過相應(yīng)的質(zhì)量檢驗(yàn)。施工單位應(yīng)提交包括地能采集井的綜合柱狀圖等資料在內(nèi)的成井報(bào)告。此外，成井后應(yīng)結(jié)合地能采集井內(nèi)裝置和供熱(冷)系統(tǒng)，對采集井的供熱(冷)功率進(jìn)行測試，得出采集井的實(shí)際供熱(冷)功率，采集井的實(shí)際供熱(冷)功率應(yīng)不低于設(shè)計(jì)值。

4單井循環(huán)換熱地能采集井模型研究及地溫場預(yù)測評(píng)價(jià)

4.1單井循環(huán)換熱地能采集井的物理過程

有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的物理過程為，循環(huán)水由絕熱井壁內(nèi)部抽水區(qū)的潛水泵抽出排走，送入熱泵機(jī)組，經(jīng)過放熱或者吸熱后，由熱泵機(jī)組返回，進(jìn)入地能采集井上部的加壓回水區(qū)內(nèi)部。水流在絕熱井壁與隔離膜之間有蓄能顆粒的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)，大部分進(jìn)入下部抽水區(qū)，一小部分透過孔壁的隔離從加壓回水區(qū)通過滲透流到土壤介質(zhì)中，最后從抽水區(qū)回流。地能采集井的所有回水透過絕熱井壁下部的花管由潛水泵抽走送回?zé)岜脵C(jī)組。

無蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井中絕熱井壁與隔離膜之間的空間沒有蓄能顆粒，充滿介質(zhì)水，其余部分的構(gòu)造和傳質(zhì)傳熱物理過程與有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井相同。

4.2有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的數(shù)學(xué)模型

4.2.1控制方程

由于有蓄能顆粒單井循環(huán)地能采集井各部分皆為多孔介質(zhì)，其中充滿的流體是水。水在多孔介質(zhì)中流速非常緩慢，可按粘性不可壓縮的層流模擬計(jì)算。多孔介質(zhì)內(nèi)水的流動(dòng)考慮固體骨架，遵循質(zhì)量守恒方程(9)、動(dòng)量守恒方程(10)、能量守恒方程(11)：

(1)質(zhì)量守恒方程

(9)

式中，γ為多孔介質(zhì)的孔隙度，ρ為流體密度，t為時(shí)間變量，Vi為流體的速度張量，i=1,2,3。

(2)動(dòng)量守恒方程

(10)

式中，p為流體靜壓，τjk為應(yīng)力張量，jk=1,2,3，g為重力加速度，Sm為多孔介質(zhì)的動(dòng)量源項(xiàng)，γ、ρ、t、vi含義同(9)式。

(3)能量守恒方程

(11)

4.2.2定解條件

定解條件種類較多，在實(shí)際工程中可根據(jù)具體情況列寫，常見的定解條件如下。

(1)初始條件

計(jì)算流場處于靜止?fàn)顟B(tài)，即初始時(shí)刻速度V(0)為零，初始時(shí)刻壓強(qiáng)P(0)為外界大氣壓P0，初始時(shí)刻溫度T(0)為常量T0，表達(dá)式如下

V(0)=0

(12)

P(0)=P0

(13)

T(0)=T0

(14)

(2)邊界條件

a.計(jì)算域的進(jìn)口邊界

進(jìn)口流量Qin為常量Q1，即

Qin=Q1

(15)

進(jìn)口溫度Tin為常量T1，即

Tin=T1

(16)

進(jìn)口出壓強(qiáng)Pin為常量P1，即

Pin=P1

(17)

b.計(jì)算域的出口邊界

進(jìn)口流量Qout為常量Q2，即

Qout=Q2

(18)

出口溫度Tout未知，不予設(shè)定，由已知條件計(jì)算得到。

出進(jìn)口出壓強(qiáng)Pout為常量P2，即

Pout=P2

(19)

c.計(jì)算域的其他邊界

土壤等溫外邊界Г1及絕熱外邊界Г2表達(dá)式如下。

T|Г1=t0

(20)

q|Г2=0

(21)

定熱流密度邊界條件如下

q|Г2=c

(22)

邊界上的流場速度v為零，即

(23)

式(20)～(23)中，T表示邊界Г1的溫度，q表示邊界Г2的熱流密度。

4.3無蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的數(shù)學(xué)模型

4.3.1控制方程

無蓄能顆粒單井循環(huán)地能采集井計(jì)算區(qū)域分為有多孔介質(zhì)計(jì)算區(qū)域和無多孔介質(zhì)計(jì)算區(qū)域兩部分。兩部分分別采用不同的控制方程。

(1)有多孔介質(zhì)計(jì)算區(qū)域

無蓄能顆粒單井循環(huán)地能采集井的土壤多孔介質(zhì)的流動(dòng)屬于層流，其控制方程與有蓄能顆粒單井循環(huán)地能采集井的控制方程(9)-(12)式完全相同。

(2)無多孔介質(zhì)計(jì)算區(qū)域

無蓄能顆粒單井循環(huán)地能采集井的進(jìn)水加壓管和抽水回水管部分無多孔介質(zhì),全部充滿水，采用粘性可壓流的紊流流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。

K-ε微分方程的通用形式為下式

(24)

式中，t為時(shí)間變量，ρ為流體密度，φ為所研究的任一因變量， vi為流體速度張量，i=1,2,3，在展開式中，v1=vx，v2=vy，v3=vz，x1=x，x2=y，x3=z，ГФ是擴(kuò)散系數(shù)，Sф是源項(xiàng)。上述方程中的四項(xiàng)分別是非穩(wěn)定項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)及源項(xiàng)，各項(xiàng)表達(dá)式見表1。

表1　標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型中各項(xiàng)意義一覽

表中，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，μeff為有效粘性系數(shù)，μ為分子粘性系數(shù)，μt為湍流粘性系數(shù)，C1、C2、Cμ、σε這四個(gè)符號(hào)是常數(shù)，Pk是平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，能量方程中的T采用絕對溫標(biāo)。

μeff=μ+μ1

(25)

(26)

(27)

4.3.2定解條件

在初始條件和進(jìn)口及邊界中增加湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε條件，其它內(nèi)容與前述中內(nèi)容相同。

4.4理想模型及示范工程模擬分析及預(yù)測

進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，首先建立二維模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算收斂條件為殘差控制在1×10-3以下，然后采用在流體力學(xué)與傳熱學(xué)廣泛應(yīng)用的有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬求解。采用流體與傳熱軟件FLUENT6.3 進(jìn)行模擬計(jì)算。

從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)在一定范圍內(nèi)隨著水循環(huán)流量的增加，同一單井循環(huán)換熱地能采集井的熱交換量增加。

(2)由于熱積累效應(yīng)，同一地能采集井隨著時(shí)間的延續(xù)換熱量逐漸降低。

(3)其他條件不變時(shí)，地能采集井的進(jìn)水與出水溫度差值隨著水循環(huán)流量的降低逐漸提高。

(4)減小土壤的比熱容、增加土壤的孔隙度有助于增加單井循環(huán)換熱地能采集井換熱量。

(5)土壤的滲透系數(shù)增加會(huì)減小粘性阻力，從而對增加地能采集井的換熱量具有較明顯的效果。

(6)由于土壤的熱積累效果會(huì)很大程度降低換熱效率，對同一區(qū)域利用換熱器冬季制熱、夏季制冷會(huì)明顯降低熱(冷)積累效應(yīng)。

5智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)軟件(High Efficient智能能源管理系統(tǒng))研究

5.1系統(tǒng)功能

針對目前國內(nèi)地源熱泵工程存在無序開發(fā)、監(jiān)管缺失的問題，本課題研發(fā)了一套智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)軟件(High Efficient智能能源管理系統(tǒng))。

5.2系統(tǒng)架構(gòu)

智能能源管理系統(tǒng)是3級(jí)結(jié)構(gòu)的集散式系統(tǒng)，即有管理級(jí)、監(jiān)控級(jí)和現(xiàn)場控制級(jí)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6　智能能源管理系統(tǒng)是3級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.1現(xiàn)場控制級(jí)

系統(tǒng)第一級(jí)為現(xiàn)場控制級(jí)，包括現(xiàn)場控制器、各類傳感器和執(zhí)行器，直接控制現(xiàn)場設(shè)備。其主要任務(wù)包括：

過程數(shù)據(jù)采集。對被控對象的各個(gè)過程變量和狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)字控制、設(shè)備監(jiān)測、狀態(tài)報(bào)告等獲得所需要的現(xiàn)場信息。

直接數(shù)字控制。根據(jù)控制平臺(tái)數(shù)據(jù)庫、控制算法模塊去實(shí)施連續(xù)控制、程序控制。

設(shè)備監(jiān)測、系統(tǒng)測試與診斷。根據(jù)過程變量和狀態(tài)信息，分析并確定是否對被控對象實(shí)施調(diào)節(jié)，并判斷現(xiàn)場控制器硬件的狀態(tài)和性能，在必要時(shí)報(bào)警或給出診斷報(bào)告。

安全、冗余操作。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件或控制板有故障時(shí)，及時(shí)切換到備用部件，以確保整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

現(xiàn)場控制級(jí)是對單個(gè)設(shè)備的自動(dòng)控制，具體功能的實(shí)現(xiàn)是由安裝在被控設(shè)備附件的現(xiàn)場控制器去完成的。它是一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，既能作獨(dú)立控制其執(zhí)行控制作用，又有強(qiáng)大的通信能力，可組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)運(yùn)算。一般有幾路模擬量和數(shù)字量的輸入、輸出，其中有：

模擬量輸入(AI)，如溫度、壓力、流量等。

數(shù)字量輸入(DI)，如接觸點(diǎn)閉合、斷開等。

模擬量輸出(AO)，如操作調(diào)節(jié)閥等。

數(shù)字量輸出(DO)，如電動(dòng)機(jī)起/?？刂疲?位通/斷控制等。

直接數(shù)字式控制器還應(yīng)有數(shù)字量累計(jì)的接口，可輸入低頻脈沖信號(hào)，作為電量、水量的累積計(jì)算。

現(xiàn)場控制器的功能靠軟件來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場控制器的軟件包括：系統(tǒng)軟件、通信軟件、輸入輸出點(diǎn)處理軟件、操作命令控制軟件、報(bào)警處理軟件、運(yùn)算軟件、控制軟件、時(shí)間/事件程序(TEP)、能量管理和控制軟件、用戶化軟件和終端仿真軟件等。

5.2.2監(jiān)控級(jí)

系統(tǒng)第二級(jí)為監(jiān)控級(jí)。監(jiān)控級(jí)監(jiān)視地源熱泵系統(tǒng)的各單元，并管理系統(tǒng)的所有信息，主要任務(wù)包括：

優(yōu)化控制。當(dāng)現(xiàn)場條件發(fā)生變化時(shí)，監(jiān)控級(jí)根據(jù)優(yōu)化策略，進(jìn)行分析計(jì)算，產(chǎn)生新的設(shè)定值和調(diào)節(jié)值，交由現(xiàn)場控制級(jí)執(zhí)行。

協(xié)調(diào)控制。根據(jù)被控設(shè)備情況，以優(yōu)先準(zhǔn)則協(xié)調(diào)相互的關(guān)系等。

系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視。監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)，指定被控設(shè)備記錄報(bào)表，進(jìn)行報(bào)警顯示，故障顯示、分析、記錄等。

監(jiān)控級(jí)的計(jì)算機(jī)設(shè)置在監(jiān)控中心，稱為中央站，對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行管理和優(yōu)化控制。中央站和現(xiàn)場控制器通過通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場控制器可作為獨(dú)立控制器執(zhí)行獨(dú)立的控制作用，它把數(shù)據(jù)信息傳導(dǎo)至中央計(jì)算機(jī)，又能接受中央計(jì)算機(jī)的控制。中央計(jì)算機(jī)除要求完善的軟件功能外，首先要求硬件必須可靠，通常選用高檔微機(jī)和較高級(jí)的配置。

監(jiān)控級(jí)的功能是由中央站的軟件來實(shí)現(xiàn)的，中央站的軟件包括：系統(tǒng)軟件(網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))，語言處理軟件，數(shù)據(jù)通信軟件，顯示格式和表格式軟件，操作員接口軟件，日程表軟件，時(shí)間/事件誘發(fā)程序軟件(TEP)，報(bào)警處理軟件，控制軟件，數(shù)據(jù)庫軟件，能量管理和控制軟件等。中央站主要軟件功能：

訪問級(jí)別控制。

圖形操作。

適應(yīng)多種通信協(xié)議。

用戶定義的報(bào)警管理。

點(diǎn)的分類

圖形生成工具和庫

使用程序。

設(shè)備運(yùn)行和特殊事件的計(jì)劃安排

歷史和動(dòng)態(tài)點(diǎn)趨勢選擇

各種報(bào)表和信息記錄

通用窗口軟件

5.2.3管理級(jí)

系統(tǒng)第三級(jí)為管理級(jí)。管理級(jí)計(jì)算機(jī)位于整個(gè)系統(tǒng)的頂端，具有十分強(qiáng)大的處理能力。

管理級(jí)的圖形工作站可以進(jìn)入以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理(TCP/IP)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，提高管理水平，速率可達(dá)到10/100 Mbps。

5.3硬件配置方案

5.3.1中央處理單元

采用web access 研華工控機(jī)。

5.3.2現(xiàn)場控制單元

(1)信號(hào)傳輸模塊

信號(hào)傳輸一般采用有線接入以太網(wǎng)和無線發(fā)送的形式；考慮到現(xiàn)場以太網(wǎng)以及現(xiàn)場布線等因素，采用GPRS發(fā)射模塊

(2)現(xiàn)場控制模塊

該部分包括控制模塊，以及擴(kuò)充的I/O模塊，采用西門子PXC MODULAR系列的控制模塊和I/O擴(kuò)充模塊。

5.3.3末端元件

包括各類溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器。

5.4軟件開發(fā)方案

5.4.1軟件規(guī)劃

High Efficient智能能源管理系統(tǒng)，通過多種數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸手段，對大型建筑進(jìn)行分類分項(xiàng)能耗計(jì)量基礎(chǔ)上，采用GIS、組態(tài)、自定義等方式實(shí)現(xiàn)能耗在線監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析、節(jié)能控制決策和優(yōu)化。

5.4.2軟件功能

(1)現(xiàn)場控制級(jí)的軟件功能

1)運(yùn)算軟件：主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如平均值、高低值選擇、邏輯運(yùn)算和積算。

2)控制軟件：采用直接數(shù)字控制，有比例、比例積分、比例積分微分等控制功能。它執(zhí)行現(xiàn)場要求的操作順序，用比例、比例積分、比例積分微分算法控制中央空調(diào)系統(tǒng)。程序包含DDC操作員程序，例如自適應(yīng)控制可對環(huán)境變化作出響應(yīng)，自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行。

3)時(shí)間/事件程序：按照時(shí)間表發(fā)出命令，或根據(jù)起動(dòng)停機(jī)計(jì)劃，點(diǎn)報(bào)警或點(diǎn)狀態(tài)變化觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的或定制的DDC程序，控制空調(diào)設(shè)備等?？刂破鞴逃械腡EP提供與中央站TEP無關(guān)的時(shí)間順序制和時(shí)間觸發(fā)程序。

4)能量管理和控制軟件：有最佳起動(dòng)停機(jī)程序、趨勢記錄、周期性負(fù)載和最大需求管理。節(jié)能和控制程序庫可以在控制器內(nèi)執(zhí)行，這些程序可以從其他控制器讀取共享的輸入，以控制自己的輸出。這些程序能獨(dú)立于中央站而運(yùn)行，以保證系統(tǒng)的可靠性。

5)用戶化軟件：可簡化數(shù)據(jù)文件的修改，授權(quán)的操作員可以增加、修改和刪除現(xiàn)場控制器、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、能量管理數(shù)據(jù)和用戶程序。

6)終端仿真軟件：當(dāng)不需要現(xiàn)場控制器提供圖形操作的全部能力的時(shí)候，操作員可以用視頻顯示終端或個(gè)人計(jì)算機(jī)，以合適的終端仿真軟件實(shí)現(xiàn)對簡單的點(diǎn)和設(shè)備的操作，例如讀取測點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)出對該點(diǎn)的命令。

智能能源管理系統(tǒng)中使用各種傳感器，檢測設(shè)備的工作狀態(tài)。傳感器和變送器是將電量或非電量轉(zhuǎn)化為控制設(shè)備可以處理的電量的裝置，一般用于測量溫度、濕度、壓力、壓差等物理量。

(2)監(jiān)控級(jí)軟件功能

1)訪問級(jí)別控制。系統(tǒng)提供多級(jí)操作員訪問級(jí)別，工作站判斷是否允許進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)鑒別各種操作員訪問的級(jí)別。操作員只能用密碼進(jìn)入系統(tǒng)，訪問所授權(quán)的級(jí)別。為了減少操作員在進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)下離開工作站時(shí)，被別人非法使用的可能性，有一個(gè)超時(shí)信號(hào)自動(dòng)將該操作員退出系統(tǒng)。自動(dòng)退出和超時(shí)信號(hào)的時(shí)間長短可按不同操作員定義來決定。

2)圖形操作。用色彩來區(qū)分正常和不正常的空調(diào)設(shè)備溫度，以電機(jī)的動(dòng)畫來確認(rèn)其運(yùn)轉(zhuǎn)/停機(jī)和開/閉狀態(tài)。任何現(xiàn)場控制點(diǎn)，可以顯示在任意一級(jí)的圖形上。利用作圖軟件，操作員可以生成、修改和刪除任何圖形。為了發(fā)出一個(gè)命令，操作員首先要選擇一個(gè)點(diǎn)，直接從圖形上控制這些點(diǎn)。系統(tǒng)也可顯示出一個(gè)對話框，來選擇合適的命令。

3)適應(yīng)多種通信協(xié)議。通過總線連接現(xiàn)場控制器，它們都采用同層通信協(xié)議，此協(xié)議使每個(gè)設(shè)備都有相等級(jí)別的總線訪問權(quán)。所有設(shè)備都有出錯(cuò)恢復(fù)和總線初始化能力。在用其他總線通信協(xié)議時(shí)，或當(dāng)中央顯示器脫離線路時(shí)，總線通信便停止。而采用同層通信協(xié)議時(shí)，只要總線上有2臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行，通信就仍然繼續(xù)進(jìn)行。

4)用戶定義的報(bào)警管理。報(bào)警信息會(huì)自動(dòng)打印出來，或在操作員控制下顯示和打印出來。多點(diǎn)報(bào)警按優(yōu)先級(jí)順序顯示。

5)點(diǎn)的分類。按照點(diǎn)的性能類型來分組，以便于數(shù)據(jù)文件的更新和操作員在顯示圖形上更快地識(shí)別出來。例如，所有的溫度傳感器可以歸類為溫度一類，這一類點(diǎn)在示圖上使用相同的顏色標(biāo)識(shí)來顯示各種數(shù)值，并有相同的報(bào)警處理點(diǎn)。

6)圖形生成工具和庫。操作員可以用圖形軟件來開發(fā)圖形，為了簡化圖形的生成過程，系統(tǒng)提供一整套暖通空調(diào)和電氣符號(hào)及標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，諸如空調(diào)機(jī)和冷凍機(jī)的圖庫。系統(tǒng)還規(guī)定好設(shè)備類別，為它們提供標(biāo)準(zhǔn)的配色、刷新速率、動(dòng)畫、工程單位和預(yù)設(shè)屬性。

7)實(shí)用程序。實(shí)用程序用于產(chǎn)生現(xiàn)場控制器應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)人員可選用暖通空調(diào)繪圖元件來建立控制順序。

8)設(shè)備運(yùn)行和特殊事件的計(jì)劃安排。系統(tǒng)支持下列設(shè)備運(yùn)行和特殊事件的計(jì)劃安排功能，控制器使用單獨(dú)的計(jì)劃安排功能，它不與圖形相聯(lián)系，而是用文本/選單引導(dǎo)來驅(qū)動(dòng)?？刂破鞣纸M使假日和例外程序得以簡化，對于控制器，操作員可對空調(diào)系統(tǒng)的每日運(yùn)行，建立一個(gè)正?；蚺R時(shí)使用的計(jì)劃表，可以先顯示與希望的點(diǎn)有關(guān)的圖形，然后確定或修改適當(dāng)?shù)挠?jì)劃表。對于特殊事件，如晚會(huì)，操作員可確定動(dòng)作并安排這些動(dòng)作，如按時(shí)間和日期發(fā)生。諸如所有點(diǎn)的報(bào)告和報(bào)警摘要也是計(jì)劃安排的事件。全部工作都是用對話框設(shè)定的，可以用單擊，翻動(dòng)圖面或鍵盤輸入。

9)歷史和動(dòng)態(tài)點(diǎn)趨勢選擇。

10)各種報(bào)表和信息記錄。報(bào)表包含當(dāng)前的歷史的點(diǎn)的數(shù)據(jù)和信息記錄，操作員可以按要求打印屏幕畫面，即通過供選用的彩色打印輸出，可以打印在紙上或投影儀用的透明軟片上。還允許操作員通過選擇起始圖形和后續(xù)圖形中的點(diǎn)，可以在所希望的時(shí)間安排輸出。

11)通過窗口軟件。操作員可用一個(gè)窗口作為中心圖形接口，而其他窗口可用作執(zhí)行第三方軟件專用，例如電子表格軟件或文字處理程序。操作員能方便地切換窗口，因此可用提高工作效率。

(3)管理級(jí)的軟件功能

1)對建筑冷熱負(fù)荷的各種干擾條件進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)和分析，確定最經(jīng)濟(jì)、有效的供能量，從而實(shí)現(xiàn)按需供能。

2)實(shí)時(shí)控制熱源側(cè)和使用側(cè)水系統(tǒng)參數(shù)(水溫、壓力和流量)，優(yōu)化熱泵主機(jī)的運(yùn)行工況，監(jiān)控?zé)岜弥鳈C(jī)的系統(tǒng)參數(shù)(制冷系統(tǒng)壓力、溫度、電流、能效比)，控制主機(jī)的COP值，使其處于最佳狀態(tài)。

3)通過水的變流量控制、主機(jī)能量調(diào)節(jié)控制以及供能條件優(yōu)化控制，以逐漸提升系統(tǒng)COP值為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)和專業(yè)調(diào)控策略的系統(tǒng)優(yōu)化模式。

4)智能化和自動(dòng)化的控制減少人為因素對能耗的不利影響，降低各種人為失誤帶來的損耗。

5.4.3數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

這一部分主要是作為遠(yuǎn)程客戶機(jī)與下位機(jī)(PLC)通信的橋梁，一方面負(fù)責(zé)采集PLC數(shù)據(jù)，并將其傳送給遠(yuǎn)程客戶機(jī)，另一方面，接收遠(yuǎn)程客戶機(jī)的控制信息，并將其寫入PLC。一般在應(yīng)用服務(wù)器中安裝有OPC Server(或自己開發(fā)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序)， OPC Server通過串口或以太網(wǎng)方式與設(shè)備上的PLC連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)緩存在應(yīng)用服務(wù)器中。公司內(nèi)部局域網(wǎng)通過有線或無線以太網(wǎng)方式與現(xiàn)場OPC Server連接來讀取數(shù)據(jù)。

5.4.4遠(yuǎn)程客戶端軟件設(shè)計(jì)

這一部分主要是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信以及監(jiān)控畫面的開發(fā)，為了便于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，將整個(gè)應(yīng)用程序分配給多個(gè)服務(wù)器，用以提高項(xiàng)目的整體容量結(jié)構(gòu)，并改善系統(tǒng)的性能。服務(wù)器的分配可以是基于項(xiàng)目中物理設(shè)備結(jié)構(gòu)或不同的功能，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立專門的IO服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。

在客戶監(jiān)控畫面方面采用ActiveX控件，并嵌入到網(wǎng)頁中。用戶只需要在客戶端IE瀏覽器的地址欄中輸入服務(wù)器的IP地址，當(dāng)用戶第一次訪問服務(wù)器的網(wǎng)頁時(shí)，IE瀏覽器會(huì)自動(dòng)把服務(wù)器網(wǎng)頁上的ActiveX控件下載到本地計(jì)算機(jī)中，并自動(dòng)注冊ActiveX控件。這樣用戶就可以通過IE瀏覽器對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過使用ActiveX控件，遠(yuǎn)程客戶端可以直接讀取服務(wù)器上的OPC 數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新，并不需要通過數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

6結(jié)語

(1) 研發(fā)的新型巖土熱物性測試儀可以測得厚度大于0.25m的巖土層的導(dǎo)熱系數(shù)及不同巖土層的初始溫度，而傳統(tǒng)穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)法只能得到巖土層初始平均溫度。由于常規(guī)使用的巖土熱響應(yīng)測試采用線熱源模型，并且將地下埋管當(dāng)做一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算。與新型巖土熱物性測試儀的柱熱源相比，在模型選擇上存在誤差，因此分層熱響應(yīng)法計(jì)算所得地下巖土熱物性參數(shù)更準(zhǔn)確。通過分層熱響應(yīng)測試可獲得地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)曲線，據(jù)此可以判斷不同巖土層的滲流情況和一個(gè)區(qū)域的地下水流狀況，從而為地埋管換熱器選址、更大限度的利用淺層地?zé)崮芴峁┛茖W(xué)依據(jù)。

(2)通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場示范研究，將單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)主要技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)、集成與定型，基本解決了地下水源熱泵的回灌問題，在此基礎(chǔ)上編制了北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《單井循環(huán)換熱地能采集井工程技術(shù)規(guī)范》(DB11/T935-2012)，為將該技術(shù)大面積推廣奠定了基礎(chǔ)。

(3)與單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)研究相結(jié)合，建立了單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)的理論與數(shù)值計(jì)算模型，并與示范工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，解決了單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)的理論問題，對推廣單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)具有重要意義。

(4)研發(fā)的High Efficient智能能源管理系統(tǒng)既可對地源熱泵各運(yùn)行參數(shù)及地質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)管，也可根據(jù)建筑供暖、制冷實(shí)際需求，調(diào)控地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源管理的智能化。

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The new developments of ground source heat pump research

XU Sheng-heng1，PENGTao2，WANG Bing-chen2，WUQiang3，ZHANGJun4，BI Wen-ming5

(1.Ever Source Science and Technology Development Company Limited，Beijing 100093；2．CIGIS (CHINA) Limited，Beijing 100007；3.China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083；4.Beijing Energy Technology Development Co., LTD，Beijing 100083；5.Beijing HuaQing RongHao New Energy Development Co., LTD，Beijing 102209)

Abstract:Some new researches of ground source heat pump(GSHP) are described in the article.A new rock and soil thermal physical property tester has been developed，and it use distributed optical fiber temperature measuring system to measure the temperature of the stratum.The new tester use column model to calculate the parameters of rock and soil thermal physical property.The parameters of rock and soil thermal physical property of the stratum which thickness greater than 0.25m can be measured.The code of the single-well geothermal energy collection with circulation heat exchange has been written.The numerical model of the single-well geothermal energy collection with circulation heat exchange has been researched.The geothermal field of the single-well geothermal energy collection with circulation heat exchange has been predicted using the new numerical model.A high efficient energy management system has been developed too.

Key words:Ground source heat pump(GSHP)；Rock and soil thermal physical property tester；Geothermal field；The single-well geothermal energy collection with circulation heat exchange；High efficient energy management system

[中圖分類號(hào)]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0001-08

[作者簡介]徐生恒(1962-)，男，北京人，工程師，主要從事淺層地能(熱)開發(fā)與利用，利用淺層地能(熱)無燃燒為建

[基金項(xiàng)目]國家十二五科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB12B03、2013BAJ09B04)

[收稿日期]2016-03-14