岳叢俊

（山西交科節(jié)能環(huán)保科技有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

地源熱泵利用地表淺層水源和土壤中的熱量，采用熱泵原理，實(shí)現(xiàn)供熱和制冷功能，具有突出的節(jié)能特性，廣泛應(yīng)用于制冷供熱工程。經(jīng)過長期的應(yīng)用研究表明，影響地源熱泵長期運(yùn)行效果最主要的因素為“土壤熱不平衡”。并且隨著地源熱泵系統(tǒng)的長期運(yùn)行，系統(tǒng)冬季從土壤中吸收的熱量將會遠(yuǎn)大于夏季向土壤中補(bǔ)充的熱量，從而導(dǎo)致土壤溫度場失衡，影響到周圍生態(tài)[1]。因此，在地源熱泵工程應(yīng)用中應(yīng)充分考慮“土壤熱不平衡”的影響。

本文依托于山西省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目“利用太陽能解決北方高速公路服務(wù)站區(qū)地源熱泵土壤溫度場熱平衡問題”（編號：2016-1-25），設(shè)計(jì)了土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤溫度場變化，地源熱泵吸收熱量及太陽能補(bǔ)充熱量情況，為地源熱泵設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)

地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)將清潔能源太陽能引入地源熱泵系統(tǒng)，可以有效地減弱地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響。通過引入太陽能系統(tǒng)，在冬季供熱時(shí)可以利用白天的太陽能熱量來進(jìn)行聯(lián)合供暖，能夠大量地減少地源熱泵系統(tǒng)從土壤中獲取的熱量；在春、秋季地源熱泵系統(tǒng)停止時(shí)期，可以利用太陽能向土壤層補(bǔ)充熱量，從而有效地減弱地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響。

地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、地埋管換熱器、地源熱泵主機(jī)，通過切換閥門（F1～F8）和水泵（B1～B3），可以實(shí)現(xiàn)太陽能供熱和對地源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)熱功能。

圖1 地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)圖

2 土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)

土壤溫度場監(jiān)測對地源熱泵的設(shè)計(jì)和使用有重要的推動(dòng)作用，眾多專家學(xué)者做了相關(guān)方面的研究。李俊峰等[2]通過在單U型地埋管內(nèi)外分別布設(shè)測溫探頭的方法對土壤溫度場進(jìn)行了監(jiān)測；王小青等[3]采用換熱區(qū)布設(shè)多處單U型地埋管監(jiān)測孔的方法監(jiān)測地溫變化情況；嚴(yán)福城[4]采用布設(shè)雙U型地埋管的方法監(jiān)測土壤溫度場的變化規(guī)律，并用ANSYS對土壤溫度場分布進(jìn)行了模擬；黃堅(jiān)等[5]采用單U型地埋管并在換熱區(qū)和周邊布設(shè)監(jiān)測井的方法對土壤溫度場進(jìn)行監(jiān)測，得出周邊對照監(jiān)測井距換熱區(qū)邊緣的距離宜大于6 m。

綜上所述，土壤溫度場監(jiān)測可采用單U管和雙U管，采用監(jiān)測換熱區(qū)內(nèi)和換熱區(qū)周邊的溫度變化情況來進(jìn)行土壤溫度場分析的方法最優(yōu)。本文結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)采用布設(shè)單U型地埋管監(jiān)測地溫，并通過設(shè)置監(jiān)測工程井、場內(nèi)監(jiān)測井和場外監(jiān)測井來監(jiān)測地源熱泵土壤溫度場。此外，本文引入系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測分別監(jiān)測太陽能系統(tǒng)、地埋管集熱器、地源熱泵電能消耗和用戶側(cè)的能耗變化。其中太陽能系統(tǒng)僅在供暖季和地源熱泵系統(tǒng)停止期開啟，在供冷季考慮到制冷效率將太陽能系統(tǒng)關(guān)閉。

3 土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 土壤層溫度監(jiān)測

土壤層溫度監(jiān)測需要監(jiān)測換熱區(qū)內(nèi)垂直地埋管內(nèi)不同高度對應(yīng)土壤溫度，來監(jiān)測土壤層溫度變化。同時(shí)在換熱區(qū)外選取一口監(jiān)測井作為對比參照。本文另選取一口工程井監(jiān)測U型管進(jìn)出水溫度變化趨勢，同監(jiān)測井做對比研究。監(jiān)測井布置位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測井位置圖

監(jiān)測井深度為120 m，布設(shè)9組溫度監(jiān)測探頭，布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 傳感器布設(shè)示意圖（單位：m）

土壤層溫度采集選取總線式高精度測溫電纜，測溫精度可達(dá)0.2℃，滿足測溫需求。測溫電纜經(jīng)過溫度采集模塊數(shù)據(jù)處理，由溫度采集模塊以RS485通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，完成數(shù)據(jù)采集。本文采用Visual Studio編寫測溫軟件，溫度數(shù)據(jù)以1 min周期讀取，并按天存儲。

3.2 動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測

地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測包括太陽能系統(tǒng)能耗、地埋管換熱能、地源熱泵主機(jī)電能和負(fù)荷側(cè)能耗。動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測傳感器布設(shè)如圖4所示，利用流量計(jì)（q1～q3）和進(jìn)、出水溫度（T1～T6）計(jì)算熱量轉(zhuǎn)換情況。

圖4 動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測傳感器布設(shè)圖

動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖5所示，溫度傳感器為4-20 mA電流信號，利用多路接口溫度采集器采集，并通過RS485通信協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；流量計(jì)支持RS485協(xié)議，可將流量數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；主機(jī)能耗利用多功能電表獲取，電能表支持DL/T 645—2007協(xié)議，可通過串口獲取各時(shí)段的能耗數(shù)據(jù)。

圖5 動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)流向圖

上位機(jī)在獲取到瞬時(shí)流量、進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（1）～式（3）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱量。

式中：Qt為計(jì)算周期內(nèi)的換熱量；c為水的比熱容；m為計(jì)算周期內(nèi)的水的質(zhì)量；ΔT為進(jìn)出水管路溫度差；q為管道瞬時(shí)流量；m3/h；Δt為計(jì)算周期，本文以1 min為計(jì)算周期。由式（1）、式（2）可得，周期換熱量為：

式中：Qtl為太陽能補(bǔ)熱量；Qt2為土壤側(cè)獲取熱量；Qt3為負(fù)荷側(cè)實(shí)際用熱量；q1～q3為太陽能系統(tǒng)、土壤換熱系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)的水流量；T1～T6為進(jìn)出水溫度。

上位機(jī)計(jì)算熱量數(shù)據(jù)后，將溫度、流量、周期內(nèi)換熱功率、累積換熱量等數(shù)據(jù)周期性存儲，并采用郵件方式，按天定時(shí)將上一日數(shù)據(jù)以郵件形式發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心。

4 地源熱泵土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)介紹

地源熱泵土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤層溫度監(jiān)測和動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測兩個(gè)部分。

土壤層溫度監(jiān)測可采集工程井進(jìn)、出水溫度，以及場內(nèi)監(jiān)測井和場外監(jiān)測井的溫度，并按設(shè)計(jì)周期存儲溫度數(shù)據(jù)，界面如圖6所示。

圖6 土壤層溫度監(jiān)測界面

動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測可采集太陽能系統(tǒng)、地埋管換熱系統(tǒng)和負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)的水流量和溫度數(shù)據(jù)以及主機(jī)電能消耗數(shù)據(jù)，并按周期計(jì)算系統(tǒng)的換熱功率和累積換熱量，實(shí)時(shí)記錄地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能耗變化情況。

圖7 動(dòng)態(tài)能耗監(jiān)測界面

5 結(jié)論

本文利用地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)來解決地源熱泵土壤溫度場平衡問題，設(shè)計(jì)了土壤溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測地源熱泵系統(tǒng)土壤層溫度以及地源熱泵太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能耗變化，為地源熱泵土壤溫度場熱平衡問題研究提供數(shù)據(jù)支持。