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地源熱泵設計方案及運行費用分析實例

更新時間：2020-05-26　點擊量：1495

作者:天津大學機械工程學院熱能工程系　朱　強　汪健生

摘　要：本文對津晉高速公路津港收費站地源熱泵系統的設計進行了分析與計算，并對系統的實際運行費用進行了分析。與以空氣作為熱源的一般空調器在相同的供熱、供冷負荷下運行相比，地源熱泵系統具有顯著的節能效果。
　　關鍵詞：熱泵　供熱　制冷
　　引言
　　地源熱泵作為熱泵技術應用的一個新的分支，由于其節能和*的環保性能，近年來正在得到廣泛的應用。地源熱泵是利用土壤的良好蓄熱及蓄冷特性進行的熱力學逆循環的一種工程應用；在冬季供熱時，熱泵系統通過預埋在地下的管道將儲存在地下的熱通過傳熱介質吸收，作為逆循環中的低溫熱源，由熱泵完成逆循環并向熱用戶提供熱量；在夏季供冷時，利用地下環境溫度較低的特點使制冷系統中的冷凝溫度降低，從而提高系統的制冷系數，與冷凝器直接與空氣環境進行熱交換的普通空調器制冷相比，有一定的節能效果。由于地源熱泵系統在運行工作過程中除驅動熱泵的動力外，無需其他熱源或動力，而驅動熱泵的動力主要是電能。因此，如不考慮電能的來源，地源熱泵系統是城市供熱及供冷的一種清潔能源，它不需要建立一般城市供熱所需的鍋爐房，同樣也不存在由于燃料燃燒（燃煤、燃油）而帶來的城市環境污染問題，可以實現冷熱聯供。此外，在實際使用中，對于一些受客觀條件限制而無法采用其他供熱、供冷方式的場所，如高速公路收費站、人員設備相對較少的科考站、邊防哨所，地源熱泵則更體現出其*的*性；基于以上特點，本文對津港高速公路收費站地源熱泵系統的設計及實際運行效果進行了系統分析。
　　一、地源熱泵系統負荷計算
　　1．1　熱泵系統負荷計算
　　津晉高速公路天津段自天津起至大港，全長35公里，建有三個收費站。津港收費站包括綜合樓、綜合樓附屬用房及7個收費亭。其中綜合樓建筑面積為744m2；綜合樓附屬餐廳為80m2；7個收費亭合計建筑面積47m2；津港收費站合計總建筑面積為871m2。
　　根據天津氣候條件及收費站建筑物的土建圍護結構，本設計采用了ASHRAE推薦提供的CLF冷負荷系數法計算收費站建筑負荷；地源熱泵系統在制冷工況時，蒸發器溫度為7～12℃，冷凝器溫度為30～35℃，室內溫度25℃。其中收費站綜合樓和附屬用房的供冷負荷為120W／m2，收費亭供冷負荷為220W／m2。據此，津港收費站供冷大負荷合計為113 KW，津港收費站埋地換熱器放熱大負荷合計為146 KW。
　　熱負荷計算，本設計采用了ASHRAE推薦提供的方法計算收費站建筑熱負荷，地源熱泵系統在制熱工況時，冷凝器溫度為45～50℃，蒸發器溫度為2～6℃，室內溫度為18℃。其中收費站綜合樓和附屬用房的供熱負荷為100w／m2，收費亭供負荷為120 W／m2。由此可以計算出津港收費站大供熱負荷為92KW。
　　1．2　室內末端系統設計
　　津港收費站需要供熱、制冷的房間位置相對比較集中，功能比較單一。根據津港收費站現場的實際情況，地源熱泵系統為集中空調系統，附屬用房單獨設計熱泵機房，室內末端系統設計采用風機盤管系統，以達到每個房間要求的空調溫度。
　　1．3　室外埋管系統設計
　　根據該建筑的實際情況設計地源熱泵系統應以達到夏季制冷、冬季供熱的要求，津港高速公路收費站地源熱泵系統的室外埋管系統采用垂直U型埋管方式。根據埋地換熱器放熱大負荷計算，采用垂直U型埋管方式需打井45口，井深100米。室外垂直埋管占地面積小需要300平米，收費站的實際占地面積*可以滿足施工要求。此外，在埋管場地上還可建停車場、裝飾或植樹綠化等設施；對地面實際有效使用面積并無影響。地源熱泵系統工作簡圖如圖1所示，冬季供熱和夏季供冷時，地源熱泵系統通過控制四通閥可以實現冬、夏兩季不同工況的轉換。
　　二、津港收費站地源熱泵空調系統運行費用
　　夏季空調運行100天，每天24小時運行。冬季空調運行120天，每天24小時運行。室內空調循環水泵功率為3 KW，室外空調循環水泵3KW，熱泵機組兩臺，單臺機組電功率13．3KW，運行系數0．49，根據有關實際運行情況及室內外參數情況，對系統在冬、夏兩季的耗電量和運行費用進行了分析計算，結果如表1所示。
　　電價計算時按峰、谷、平計算，其中：
　　峰電價： 0．8933（元／kw·h），時間：
8：00～11：00　18：00～23：00
　　谷電價：0．2873（元／kw·h），時間：23：00～7：00
　　平電價：0．5793（元/kw·h)，時間：11：00～18：00　7：00～8：00
　　根據現場實測數據，地源熱泵系統在夏季制冷工況工作時，Cop=4．50；在冬季供熱工況工作時，Cop=4．1。
　　在同樣的供熱和制冷負荷條件下，如采用普通的空調器進行冬季供熱和夏季制冷，其中在供熱工況時，普通空調器的性能系數為2．2，而在制冷工況時，制冷系數為2．9，在此條件下，運行費用為：冬季供熱：71057元，夏季制冷55175元；全年共計126232元。與此相比，地源熱泵可節約費用約63％。
　　三、結　論
　　通過對津晉津高速公路津港收費站地源熱泵系統的分析，本文得出以下結論：
　　1．由于采用了地下埋管換熱器，使地源熱泵系統在冬季供熱時的COP值增加，本文實測可達4．5，這是由于冬季工況工作時，地下溫度比環境溫度高，從而使地源熱泵系統的蒸發溫度提高，導致系統的COP值增加。
　　2．地源熱泵系統在夏季供冷時，由于地下溫度低于環境溫度，使熱泵系統的冷凝溫度降低，導致系統的制冷系數提高，高于普通空調器的制冷系數。
　　3．與以空氣作為熱源的普通空調器相比，在滿足相同的冷、熱負荷條件下，地源熱泵系統可節省運行費用65％左右。
　　4．由于地源熱泵系統無需消耗燃料，使用便捷；可以有效改進局部環境，對環境保護有積極的促進作用。

全自動野外地溫監測系統

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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；

地源熱泵設計方案及運行費用分析實例

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