高速公路地源熱泵土壤溫度場監測系統設計

岳叢俊

（山西交科節能環保科技有限公司，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，實現供熱和制冷功能，具有突出的節能特性，廣泛應用于制冷供熱工程。經過長期的應用研究表明，影響地源熱泵長期運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的長期運行，系統冬季從土壤中吸收的熱量將會遠大于夏季向土壤中補充的熱量，從而導致土壤溫度場失衡，影響到周圍生態[1]。因此，在地源熱泵工程應用中應充分考慮“土壤熱不平衡”的影響。

本文依托于山西省交通運輸廳科技計劃項目“利用太陽能解決北方高速公路服務站區地源熱泵土壤溫度場熱平衡問題”（編號：2016-1-25），設計了土壤溫度場監測系統，實時監測土壤溫度場變化，地源熱泵吸收熱量及太陽能補充熱量情況，為地源熱泵設計提供數據支持。

1 地源熱泵太陽能聯合供暖系統

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

地源熱泵太陽能聯合供暖系統如圖1所示，系統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，通過切換閥門（F1～F8）和水泵（B1～B3），可以實現太陽能供熱和對地源熱泵系統的補熱功能。

圖1 地源熱泵太陽能聯合供暖系統圖

2 土壤溫度場監測系統

土壤溫度場監測對地源熱泵的設計和使用有重要的推動作用，眾多專家學者做了相關方面的研究。李俊峰等[2]通過在單U型地埋管內外分別布設測溫探頭的方法對土壤溫度場進行了監測；王小青等[3]采用換熱區布設多處單U型地埋管監測孔的方法監測地溫變化情況；嚴福城[4]采用布設雙U型地埋管的方法監測土壤溫度場的變化規律，并用ANSYS對土壤溫度場分布進行了模擬；黃堅等[5]采用單U型地埋管并在換熱區和周邊布設監測井的方法對土壤溫度場進行監測，得出周邊對照監測井距換熱區邊緣的距離宜大于6 m。

綜上所述，土壤溫度場監測可采用單U管和雙U管，采用監測換熱區內和換熱區周邊的溫度變化情況來進行土壤溫度場分析的方法最優。本文結合實際工程設計采用布設單U型地埋管監測地溫，并通過設置監測工程井、場內監測井和場外監測井來監測地源熱泵土壤溫度場。此外，本文引入系統動態能耗監測分別監測太陽能系統、地埋管集熱器、地源熱泵電能消耗和用戶側的能耗變化。其中太陽能系統僅在供暖季和地源熱泵系統停止期開啟，在供冷季考慮到制冷效率將太陽能系統關閉。

3 土壤溫度場監測系統設計

3.1 土壤層溫度監測

土壤層溫度監測需要監測換熱區內垂直地埋管內不同高度對應土壤溫度，來監測土壤層溫度變化。同時在換熱區外選取一口監測井作為對比參照。本文另選取一口工程井監測U型管進出水溫度變化趨勢，同監測井做對比研究。監測井布置位置如圖2所示。

圖2 監測井位置圖

監測井深度為120 m，布設9組溫度監測探頭，布設位置如圖3所示。

圖3 傳感器布設示意圖（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0.2℃，滿足測溫需求。測溫電纜經過溫度采集模塊數據處理，由溫度采集模塊以RS485通訊協議將數據傳輸到上位機，完成數據采集。本文采用Visual Studio編寫測溫軟件，溫度數據以1 min周期讀取，并按天存儲。

3.2 動態能耗監測

地源熱泵太陽能聯合供暖系統動態能耗監測包括太陽能系統能耗、地埋管換熱能、地源熱泵主機電能和負荷側能耗。動態能耗監測傳感器布設如圖4所示，利用流量計（q1～q3）和進、出水溫度（T1～T6）計算熱量轉換情況。

圖4 動態能耗監測傳感器布設圖

動態能耗監測系統數據流向如圖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通信協議傳輸到上位機；流量計支持RS485協議，可將流量數據直接傳輸到上位機；主機能耗利用多功能電表獲取，電能表支持DL/T 645—2007協議，可通過串口獲取各時段的能耗數據。

圖5 動態能耗監測數據流向圖

上位機在獲取到瞬時流量、進出水溫度數據后，根據式（1）～式（3）將數據轉換為熱量。

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

式中：Qtl為太陽能補熱量；Qt2為土壤側獲取熱量；Qt3為負荷側實際用熱量；q1～q3為太陽能系統、土壤換熱系統、供熱系統的水流量；T1～T6為進出水溫度。

上位機計算熱量數據后，將溫度、流量、周期內換熱功率、累積換熱量等數據周期性存儲，并采用郵件方式，按天定時將上一日數據以郵件形式發送到數據管理中心。

4 地源熱泵土壤溫度場監測系統介紹

地源熱泵土壤溫度場監測系統包括土壤層溫度監測和動態能耗監測兩個部分。

土壤層溫度監測可采集工程井進、出水溫度，以及場內監測井和場外監測井的溫度，并按設計周期存儲溫度數據，界面如圖6所示。

圖6 土壤層溫度監測界面

動態能耗監測可采集太陽能系統、地埋管換熱系統和負荷側系統的水流量和溫度數據以及主機電能消耗數據，并按周期計算系統的換熱功率和累積換熱量，實時記錄地源熱泵太陽能聯合供暖系統的動態能耗變化情況。

圖7 動態能耗監測界面

5 結論

本文利用地源熱泵太陽能聯合供暖系統來解決地源熱泵土壤溫度場平衡問題，設計了土壤溫度場監測系統，該系統可實時監測地源熱泵系統土壤層溫度以及地源熱泵太陽能聯合供暖系統動態能耗變化，為地源熱泵土壤溫度場熱平衡問題研究提供數據支持。