高速公路地源热泵土壤温度场监测系统设计

岳丛俊

（山西交科节能环保科技有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

地源热泵利用地表浅层水源和土壤中的热量，采用热泵原理，实现供热和制冷功能，具有突出的节能特性，广泛应用于制冷供热工程。经过长期的应用研究表明，影响地源热泵长期运行效果最主要的因素为“土壤热不平衡”。并且随着地源热泵系统的长期运行，系统冬季从土壤中吸收的热量将会远大于夏季向土壤中补充的热量，从而导致土壤温度场失衡，影响到周围生态[1]。因此，在地源热泵工程应用中应充分考虑“土壤热不平衡”的影响。

本文依托于山西省交通运输厅科技计划项目“利用太阳能解决北方高速公路服务站区地源热泵土壤温度场热平衡问题”（编号：2016-1-25），设计了土壤温度场监测系统，实时监测土壤温度场变化，地源热泵吸收热量及太阳能补充热量情况，为地源热泵设计提供数据支持。

1 地源热泵太阳能联合供暖系统

地源热泵太阳能联合供暖系统将清洁能源太阳能引入地源热泵系统，可以有效地减弱地源热泵系统对土壤温度场的影响。通过引入太阳能系统，在冬季供热时可以利用白天的太阳能热量来进行联合供暖，能够大量地减少地源热泵系统从土壤中获取的热量；在春、秋季地源热泵系统停止时期，可以利用太阳能向土壤层补充热量，从而有效地减弱地源热泵系统对土壤温度场的影响。

地源热泵太阳能联合供暖系统如图1所示，系统主要包括太阳能集热器、蓄热水箱、地埋管换热器、地源热泵主机，通过切换阀门（F1～F8）和水泵（B1～B3），可以实现太阳能供热和对地源热泵系统的补热功能。

图1 地源热泵太阳能联合供暖系统图

2 土壤温度场监测系统

土壤温度场监测对地源热泵的设计和使用有重要的推动作用，众多专家学者做了相关方面的研究。李俊峰等[2]通过在单U型地埋管内外分别布设测温探头的方法对土壤温度场进行了监测；王小青等[3]采用换热区布设多处单U型地埋管监测孔的方法监测地温变化情况；严福城[4]采用布设双U型地埋管的方法监测土壤温度场的变化规律，并用ANSYS对土壤温度场分布进行了模拟；黄坚等[5]采用单U型地埋管并在换热区和周边布设监测井的方法对土壤温度场进行监测，得出周边对照监测井距换热区边缘的距离宜大于6 m。

综上所述，土壤温度场监测可采用单U管和双U管，采用监测换热区内和换热区周边的温度变化情况来进行土壤温度场分析的方法最优。本文结合实际工程设计采用布设单U型地埋管监测地温，并通过设置监测工程井、场内监测井和场外监测井来监测地源热泵土壤温度场。此外，本文引入系统动态能耗监测分别监测太阳能系统、地埋管集热器、地源热泵电能消耗和用户侧的能耗变化。其中太阳能系统仅在供暖季和地源热泵系统停止期开启，在供冷季考虑到制冷效率将太阳能系统关闭。

3 土壤温度场监测系统设计

3.1 土壤层温度监测

土壤层温度监测需要监测换热区内垂直地埋管内不同高度对应土壤温度，来监测土壤层温度变化。同时在换热区外选取一口监测井作为对比参照。本文另选取一口工程井监测U型管进出水温度变化趋势，同监测井做对比研究。监测井布置位置如图2所示。

图2 监测井位置图

监测井深度为120 m，布设9组温度监测探头，布设位置如图3所示。

图3 传感器布设示意图（单位：m）

土壤层温度采集选取总线式高精度测温电缆，测温精度可达0.2℃，满足测温需求。测温电缆经过温度采集模块数据处理，由温度采集模块以RS485通讯协议将数据传输到上位机，完成数据采集。本文采用Visual Studio编写测温软件，温度数据以1 min周期读取，并按天存储。

3.2 动态能耗监测

地源热泵太阳能联合供暖系统动态能耗监测包括太阳能系统能耗、地埋管换热能、地源热泵主机电能和负荷侧能耗。动态能耗监测传感器布设如图4所示，利用流量计（q1～q3）和进、出水温度（T1～T6）计算热量转换情况。

图4 动态能耗监测传感器布设图

动态能耗监测系统数据流向如图5所示，温度传感器为4-20 mA电流信号，利用多路接口温度采集器采集，并通过RS485通信协议传输到上位机；流量计支持RS485协议，可将流量数据直接传输到上位机；主机能耗利用多功能电表获取，电能表支持DL/T 645—2007协议，可通过串口获取各时段的能耗数据。

图5 动态能耗监测数据流向图

上位机在获取到瞬时流量、进出水温度数据后，根据式（1）～式（3）将数据转换为热量。

式中：Qt为计算周期内的换热量；c为水的比热容；m为计算周期内的水的质量；ΔT为进出水管路温度差；q为管道瞬时流量；m3/h；Δt为计算周期，本文以1 min为计算周期。由式（1）、式（2）可得，周期换热量为：

式中：Qtl为太阳能补热量；Qt2为土壤侧获取热量；Qt3为负荷侧实际用热量；q1～q3为太阳能系统、土壤换热系统、供热系统的水流量；T1～T6为进出水温度。

上位机计算热量数据后，将温度、流量、周期内换热功率、累积换热量等数据周期性存储，并采用邮件方式，按天定时将上一日数据以邮件形式发送到数据管理中心。

4 地源热泵土壤温度场监测系统介绍

地源热泵土壤温度场监测系统包括土壤层温度监测和动态能耗监测两个部分。

土壤层温度监测可采集工程井进、出水温度，以及场内监测井和场外监测井的温度，并按设计周期存储温度数据，界面如图6所示。

图6 土壤层温度监测界面

动态能耗监测可采集太阳能系统、地埋管换热系统和负荷侧系统的水流量和温度数据以及主机电能消耗数据，并按周期计算系统的换热功率和累积换热量，实时记录地源热泵太阳能联合供暖系统的动态能耗变化情况。

图7 动态能耗监测界面

5 结论

本文利用地源热泵太阳能联合供暖系统来解决地源热泵土壤温度场平衡问题，设计了土壤温度场监测系统，该系统可实时监测地源热泵系统土壤层温度以及地源热泵太阳能联合供暖系统动态能耗变化，为地源热泵土壤温度场热平衡问题研究提供数据支持。