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采用地源熱泵與PVT系統的相結合提高系統熱能利用率

更新時間：2020-05-28　點擊量：2347

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源，依據逆卡諾循環工作原理，既可供熱又可制冷，能實現蒸發器與冷凝器功能轉換的設備。它利用淺層地表一年四季溫度均相對穩定的特性，通過輸入較少的高位能電能，實現熱能從低溫向高溫的轉移，并取得較多的熱能。熱泵機組冬季把熱量從地下取出來供給室內，此時土壤作為熱泵機組的“熱源”;夏季把室內熱量取出來釋放到地下，此時土壤作為熱泵機組的“冷源”.和其他電加熱、燃料燃燒加熱等傳統加熱方式比較，它從地下環境吸取熱量傳遞給高溫物體，將低位熱源輸送到高溫熱源，只需供給少量高位能就可以高效地從周圍環境提取低位能，是一種高效節能、無污染、可再生、可持續發展的能源*利用形式。對節約常規能源、緩解大氣污染和溫室效應具有積極的作用。

1 目前PVT系統存在的問題

PVT系統是集太陽能光伏發電和光熱為一體的系統稱為太陽能光伏光熱聯產系統，簡稱PVT.它包含光伏（PV）與光熱（PT）兩部分，其集太陽能電池和太陽能集熱器于一體，利用光生伏效應，使光能轉化為直流電，再經過逆變器轉化為工頻交流電供人們使用，通過電池板發電得到電收益。同時將太陽能電池板光電轉換過程中產生的部分熱能，通過熱交換收集起來，不斷被轉化出來的熱量加熱熱水，供人們使用，從而實現PVT系統的熱電聯供。

PVT 系統通常包括：PVT 組件、匯流箱、逆變器、純水箱、板式換熱器、蓄熱水箱。其中PVT組件是其核心內容，包括：玻璃蓋板、電池板、集熱器、導熱硅脂層、水管、絕熱層等。在玻璃蓋板與電池板之間設有空氣層，以便減少電池板正面的熱損失。導熱硅脂層強化了電池板與集熱器之間的傳熱，絕熱層減少了集熱器背部的熱損失。水管均勻安裝在集熱器上，保證水管內的溫度一致，蓄熱水箱儲存吸熱后的熱水。

PVT 集熱器產生的熱量溫度一般在30~60 ℃，適用于家用熱水、采暖和其他對低溫熱量有大量需求的公用、民用或工業領域。考慮到電能是高品位能量，熱能是低品位能量，首要目的是設法提高光伏發電效率，獲得更多的電能，以縮短發電系統投資回收期。同時獲得的熱能作為副產品，能產生一定量的熱水。但是PVT系統在陰雨天氣及晚上等日照不充足的時間，存在無法全天候保證光熱轉換的問題，導致熱水供應無法連續進行，同時集熱后太陽能電池背板溫度過高，造成電池板光伏發電效率下降，影響光伏發電系統的工作。

2 地源熱泵-PVT系統

2.1 系統工作原理

地源熱泵-PVT系統則實現太陽能與地源熱泵的綜合利用，地源熱泵與太陽能相結合具有很好的互補性。

太陽能可以提高地源熱泵的進液溫度，提高運行效率；地源熱泵可以補償太陽能日照影響的間歇性。系統利用太陽能作為蒸發器熱源，將地源熱泵和PVT系統有機結合在一起，在陰雨天及夜晚，地源熱泵作為加熱系統的輔助熱源，全天候工作提供熱水或熱量，能有效的解決在陰雨天及夜晚等日照不充足的情況下，PVT熱水供應不穩定不連續的問題。對太陽能系統來說集熱器表面溫度越低，越有利于提高太陽能光伏發電效率，地源熱泵-PVT 系統能夠及時帶走電池板背板的熱量，調節電池板的溫度，提高太陽能電池板的發電效率。而集熱器吸收的熱量同時作為地源熱泵的低溫熱源，提高了地源熱泵的供熱性能和工作效率。

2.2 系統構成及優點

圖1是地源熱泵-PVT系統的示意圖。整個系統主要由太陽能集熱器、地源熱泵壓縮機、蒸發器、冷凝器、蓄熱器等組成。液態工質在蒸發器內吸熱后變為低溫低壓過熱蒸汽，在地源熱泵壓縮機中經過絕熱壓縮后變為高溫高壓氣體，再經冷凝器定壓冷凝為高壓中溫的液體，放出工質的氣化熱，與冷凝水進行熱交換，使冷凝水被加熱為熱水并存儲在蓄熱器中，供用戶使用。

地源熱泵-PVT 系統的設計過程中，將太陽能集熱器與熱泵蒸發器合二為一，太陽能集熱器與熱泵聯合運行，使太陽能集熱器在低溫下收集熱量，再由熱泵裝置升溫給供熱系統，循環工質在太陽能集熱器與蒸發器中直接吸熱蒸發，節省了換熱設備，簡化了系統結構。

在正常情況下，太陽能采用定溫加熱方式。在光照充足條件下，當太陽能集熱器內水溫達到設定水溫時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動打開，冷水進入太陽能集熱器底部，同時將太陽能集熱器頂部達到設定溫度的熱水頂入蓄熱器；當太陽能集熱器頂部水溫低于設定溫度時，電腦控制器使供冷水電磁閥自動關閉。從而不斷將達到設定溫度的熱水頂入蓄熱器儲存。

蓄熱器水箱滿水位時，太陽能溫差循環加熱。太陽能集熱器水溫高于蓄熱水箱水溫時，自動啟動循環水泵，將蓄熱水箱內較低溫度的水，泵入太陽能集熱器繼續加熱，同時將太陽能集熱器內較高溫度的熱水頂入蓄熱水箱。通過使蓄熱水箱水溫升高的方法儲存太陽能集熱器吸收的太陽能。當用戶使用熱水使蓄熱水箱的水位下降后，電腦控制器使太陽能系統自動轉入定溫加熱。

在熱水使用負荷不大或日照條件較好、集熱器溫度較高時，地源熱泵可以不用啟動，將集熱器中的熱水直接供用戶使用。此時系統只需消耗很少的電能，系統的熱能利用率較高。當太陽能不足或因循環散熱等原因造成水箱內水溫達不到使用要求時，采用地源熱泵輔助加熱方式，自動啟動熱泵加熱到設定溫度，以保證熱水的使用；當太陽能產的熱水不足或用戶使用熱水過度，蓄熱水箱的水位沒有達到正常的水位，溫度控制器使熱泵自動啟動；當達到正常水位時，熱泵自動停止。系統中加入地源熱泵作為輔助能源供給，以保證全天候連續制熱需要，雖然增加了一部分能耗，但與純粹利用電能為動力的系統相比，可以非常明顯節約電耗，具有運行效率高、節能效果明顯、運行費用低的特點。提高了系統在不同工況下連續運行的可靠性和穩定性，便于規模化應用。

2.3 系統影響因素

在地源熱泵-PVT 系統中，太陽能收集和轉化的過程存在著時效問題，因而吸收轉化的熱量必須得到及時的儲存，其蓄熱技術就顯得尤為重要，必須要很好地解決。另外對于居住集中的樓房建筑，設計時如果沒有預留，集熱器的安裝將受到很大的限制。

在實際運行中需考慮集熱器、冷凝器、流量循環等相應的分配情況，使得進水口溫度、集熱溫度、冷水溫度、冷卻水溫度、流量等設定在的范圍，使系統循環水溫度較低，從而有利于系統電效率的提高。同時考慮對進口水溫進行控制，及時將溫度過高的進水排走或者轉移至其他蓄熱容器，以保證系統具有相對較高的發電效率和熱收益，使地源熱泵-PVT 系統經濟合理的穩定運行，從而獲得的收益。

地源熱泵系統成功的關鍵在地下系統，需對地下土壤、地下水等地質構造及水文情況進行勘測，研究地下巖土層與含水層中的傳熱，蓄熱，以及熱、質交換與遷移的規律，并根據地質情況選用相應的地下管路及器件材質，對地下埋管或水井進行精心設計、精心計算、精心施工，做好項目策劃、設計、施工及運行維護的每一個關鍵環節。

3 結論

地源熱泵-PVT系統采用定溫加熱、溫差循環技術，有效降低了太陽能電池背板的溫度，提高了太陽能電池光伏發電效率，同時利用地源熱泵與太陽能相結合的互補性，提高了地源熱泵的供熱性能和工作效率。

采用地源熱泵與PVT系統相結合，實現太陽能與地源熱泵綜合利用，并以地源熱泵作為輔助加熱系統，提高了系統的熱能利用率，克服了單純PVT系統在日照不充足、太陽能間歇性的情況下熱量不能連續穩定供應的缺陷，實現太陽能驅動下的連續穩定供熱，推動了PVT系統的推廣應用。從系統效率及性能系數看出，增設地源熱泵作為輔助加熱系統后，消耗相同的壓縮功，系統的供熱效率得到了提高，實現了節能降耗的效果。

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產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫

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*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】

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*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；

采用地源熱泵與PVT系統的相結合提高系統熱能利用率

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