地源熱泵熱響應測試影響因素分析_地源熱泵地下溫度場的測試分析

地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

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 1、前言
    地埋管地源熱泵技術由于其節能和環保的特點正受到越來越多的關注.然而地埋管地源熱泵的推廣需要開展對地埋管換熱器存在的一些應用和理論問題的研究,其中包括選擇合適回填材料、 熱泵系統對地埋管區域土壤作用時的溫度變化問題等.比較理想的回填材料,不僅具有良好的護壁作用,還能降低埋管井與周邊土壤的熱阻,提高換熱器管網對地下土壤的傳熱性能,減少地埋管的工程和造價,同時還能改善熱泵的運行參數,提高系統的節能潛力.在熱泵系統運行期間,地下土壤溫度場的穩定性是關系到系統運行的可靠性和可持續性的問題.對于夏熱冬冷的華東地區,地源熱泵通過地埋管與地下土壤進行取熱和散熱的雙向傳熱作用,相對于單一制熱的北方地區和單一制冷的南方地區,華東地區為地源熱泵提供了理想的應用環境.

    但是,對于所有地埋管型地源熱泵來說,地下土壤溫度場的穩定性問題仍然是值得關注的大問題.熱泵系統的冷熱負荷對地下的熱作用很難自然取得平衡,需要調查地下溫度場的變化特性,以便制定優化的設計方案,確保系統長期穩定可靠的節能運行[1].目前國內對回填材料和地下土壤熱平衡問題的研究局限于計算機模擬或短期試驗研究[2~4], 缺少可靠的試驗測量數據.本文以夏熱冬冷的華東地區為對象,采用現場測試的方法,對比研究了 兩種不同回填材料對地埋管換熱器傳熱性能的影響;在地源熱泵地埋管區域的土壤中安裝溫度傳 感器,根據對地源熱泵運行期間地下溫度場的數據采集,分析了系統運行中埋管換熱器周圍不同 位置處土壤溫度場的變化特性.
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2　不同回填材料地埋管換熱器的熱響應測試
    對地埋管換熱器的熱響應測試采用了專門設 計制造的試驗臺,如圖1所示.該試驗臺包括測 試設備、控制設備、測量設備、數據采集系統等部 分.測試設備能夠模擬夏天制冷工況和冬天制熱 工況,制成所需要的冷水和熱水,用于傳熱試驗. 控制設備能夠根據需要調節所需要的供水溫度、 流量和壓力.測量設備由傳感器和儀表組成,用 于測量系統的溫度、壓力、流量等參數.控制設備 和測量設備均采用美國NI的FP模塊,使用485 通信協議,實現模塊與上位機之間的.數據 采集系統基于Labview軟件平臺,開發了自動化 數據采集、數據存儲、安全控制的計算機程序,該 程序還具備遠程控制和遠程數據采集的功能.
    為了提高測試精度,對傳感器進行了校驗. 溫度傳感器的校驗在恒溫水浴中進行,采用0.1K 刻度的試驗室水銀溫度計作為標準值,在0~ 50℃的溫度區間上,間隔3K,調節獲得穩定的水 溫后,開始讀數,Labview校正程序每隔5s掃描一次傳感器的溫度值,采用相鄰6個掃描值的平均 值作為每個溫度傳感器的讀數,同時記錄水銀溫度計的讀數.在流量傳感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了稱重法與體積測量法相結合,與電子流量計的讀數相對照.根據校正的結果,對每個傳感器進行曲線擬合,保證試驗結果分析的精度.
   選擇黃沙+膨潤土、水泥漿+膨潤土作為兩 種對比測試的回填材料,采用DN25的HDPE管作為換熱器管道,井口直徑110mm,打井深度 60m,制成了1#和2#地埋管換熱器,
    地源熱泵熱響應測試采用恒熱流法,分別模擬熱泵的夏季制冷工況和冬季制熱工況.夏季制冷工況時,需要測量地埋管換熱器向周邊土壤的散熱能力,保持換熱器HDPE的水流流量和熱流流量穩定,測試48h以上,保存所有傳感器的測試數據;采用類似方法,利用熱泵制成需要的冷水,模擬冬季供熱工況,測試換熱器從周邊土壤的取熱能力.在測試中1#井和2#井首先同時進行散熱能力的熱響應測試,經過48h的穩定測試后,獲得的散熱試驗的運行數據;然后停止測試,讓地下土壤獲得一個溫度恢復的過程;待地下土壤溫度場基本恢復后,開展冬季取熱的模擬測試.
    無論對于夏季散熱還是冬季取熱,1#井與2#井在進水溫度與流量均接近的情況下,1#井的進出口溫差比2#井大,因此1#井對周邊土壤的傳熱量大于2#井.比較同一個井夏季 工況與冬季工況的傳熱情況可以看出,在流量接近的情況下,夏季的進出口溫差大于冬季,這是因為夏季埋管中循環水與周圍土壤的溫差高于冬季.
    根據實際測量的土壤原始溫度、采集的地埋管的48h溫度曲線、熱流量數據,采用熱響應分析的方法,依據線熱源模型,可以回歸出土壤的有效導熱系數,從而分別計算出各個換熱器在出水溫度為35℃時的單位井深散熱能力,同樣的方法獲取各個換熱器在5℃時的等效取熱能力.
   進水溫度35℃時,1#井埋管單位井深的傳熱量比2#井埋管高11%.進水溫度為5℃時,1#井單位井深傳熱量比2#高井5%,兩種工況均表明1#井的傳熱效果優于2#井,表明回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能比水泥漿+膨潤土的好.
    2#井埋管采用的PE管分隔夾具有減小熱短路、提高傳熱性能的功能.但是在本試驗中2#井 埋管的傳熱能力反而低于沒有支承的1#井埋管,這主要是由回填材料造成的,這說明回填材料對傳熱的影響比支承更顯著.如果排除塑料夾的影響,以黃沙+硼潤土作為回填材料的傳熱性能比采用對比回填材料的傳熱性能提高幅度會更大.
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3　地埋管換熱器周圍土壤溫度場的測試與分析
   地源熱泵的運行測試選在夏熱冬冷的華東地區,建筑物同時具有供冷和供熱兩種需求,地源熱泵常年運行,制冷運行150天左右、制熱運行120天左右.
    為了綜合研究地下溫度場的變化情況,在地埋管換熱器安裝的不同區域安裝了一定數量的溫度傳感器(如圖2),選取3個彼此不相鄰地埋管換熱器3#、4#和5#,井深30m,分別在井的內壁和井外埋設溫度傳感器,傳感器埋深為10m,測點4 ~6在井內壁,測點1、2、3、7、8、9、10在井外,沿井徑向方向的距離依次相隔0.5m.
4　結論
(1)回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能優于水泥漿+膨潤土.散熱能力在進水溫度35℃時前者比后者高11%左右,取熱能力在進水溫度5℃時高5%左右.采用黃沙+膨潤土的井埋管還比采用水泥漿+膨潤土的井埋管提供更大的進出口溫差;
(2)換熱井內壁處土壤溫度曲線波峰出現在9月初,波谷在3月初,在井外,隨著離井距離的增加,溫度曲線出現峰谷值的時間將向后延遲2~3個月.運行一年后,井埋管周圍土壤溫度升高,距離井埋管越遠,溫升幅度越大;
(3)地埋管換熱器周圍土壤溫度場的偏移現象說明,該熱泵對地埋管區域土壤的排熱量大于取熱量.對于夏熱冬冷的華東地區來說,建筑物需要的制冷能量大于制熱能量,加上壓縮機、水泵、風機等設備的功耗,地源熱泵對地下土壤的制冷排熱量要比制熱取熱量大一倍左右,如何采取技術措施,實現地下土壤的熱平衡,對確保地源熱泵持續可靠運行來說非常重要.

全自動野外地溫監測系統/凍土地溫自動監測系統

地源熱泵分布式溫度集中測控系統

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礦井測溫系統/礦建凍結法施工溫度監測系統/深井溫度場地溫監測系統

TD-016C型 地源熱泵能耗監控測溫系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫，淺層地溫在線監測系統，分布式地溫監測系統

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

    地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

   采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。 本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析 

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究 

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究 

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究 

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究 

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套先進的基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa. 

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析 

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究 

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究 

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究 

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究 

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

   本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能： 

1、溫度在線監測 

2、 報警功能 

3、 數據存儲 

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印 

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度： 正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分  辨 率： 0.1℃

4、采樣點數： 小于128

5、巡檢周期： 小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長： 小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年 

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度： 小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1． 使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。

   由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取先進的ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

   為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
   傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

    北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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地熱管理系統（geothermal management system）是為實現地熱資源的可持續開發而建立的管理系統。

我司深井地熱監測產品系列介紹：

1.0-1000米單點溫度檢測（普通表和存儲表）／0-3000米單點溫度檢測（普通顯示，只能顯示溫度，沒有存儲分析軟件功能）

2.0-1000米淺層地溫能監測/高精度遠程地溫監測系統（采集器采用低功耗、攜帶方便；物聯網NB無線傳輸至WEB端B/S架構網絡；單總線結構，可擴展256個點；進口18B20高精度傳感器，在10-85度范圍內，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多點深層地溫監測（采用分布式光纖測溫系統細分兩大類：1.井筒測試 2.井壁測試）

4.0-2000米NB型液位／溫度一體式自動監測系統（同時監測溫度和液位兩個參數，MAX耐溫125攝氏度）

5.0-7000米全景型耐高溫測溫成像一體井下電視（同時監測溫度和視頻圖片等）

6. 微功耗采集系統／遙控終端機——地熱資源監測系統／地熱管理系統（可在換熱站同時監測溫度／流量／水位／泵內溫度／壓力／能耗等多參數內容，可實現物聯網遠程監控，24小時無人值守）

有此類深井地溫項目，歡迎新老客戶朋友垂詢！北京鴻鷗成運儀器設備有限公司

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