CN114964551B - 地源热泵监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地源热泵监测系统，旨在解决现有技术监测不准确、耗费大、系统运行没有最大程度节能环保的技术问题。本申请的方案通过布设地温监测孔、特定位置的热影响半径监测孔、呈三角形分布地下水监测孔，且根据地层结构在测温电缆上不同地层的对应位置处设置不同数量程度的测温探头，实现控制器根据收集到的数据动态调整系统运行数据，进而使系统更加节能，最大程度保护地质环境。
Description
技术领域
本发明涉及能源设备监控技术领域，具体涉及一种地源热泵监控方法。
背景技术
地源热泵是通过地埋管来提取浅部地下岩体和水体中的低品位热能（10～25℃），利用热泵把低品位热能提升为高品位热能后实现供暖；夏季则通过地埋管把地面建筑物内高温排到地下进行能量交换，从而达到制冷目的。
由于地下影响换热因素的复杂性，实际运行中常出现热量未及时有效扩散导致的“热堆积”效应，造成释热与吸热的不均衡，进而影响周围地质环境。且热交换主机和大功率水泵属于高耗能设备，如系统不考虑地下换热环境变化且以单一状态长期运行，则会带来很多不必要的能量损耗，甚至这些能量损耗带来的是对地质环境的破坏。
发明人知晓的一种地埋管地源热泵换热系统场地地温监测系统及方法（CN113008401A）中公开了一种地埋管地源热泵换热系统场地地温监测系统， 所述埋管区监测装置包括至少一个第一监测孔以及一个第二监测孔，其中第一监测孔布置在两个换热孔之间，并在第一监测孔内沿其高度方向设置有若干温度传感器；第二监测孔设置在用于放置地埋换热器的换热孔内，并在第二监测孔内沿其高度方向还设置有若干温度传感器；所述的外围监测装置布置包括至少两个距离埋管区不同距离的第三监测孔，在第三监测孔内沿高度方向布置有若干温度传感器，用于监测距离埋管区不同距离处的地温；所述的地温背景值监测装置包括远离埋管区布置的第四监测孔。所述的第一监测孔、第二监测孔、第三监测孔、第四监测孔中温度传感器的设置时，26m以浅每2m的间隔布置一个温度传感器；26m以深每10m的间隔布置一个温度传感器。
但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
对场地地温监测数据不全面，外围监测孔及地温背景值监测孔无法对地下水径流对场地换热的影响进行判断，进而无法根据地下水的热扩散影响对系统运行参数进行调节，也就无法实现系统的更加节能。此外，由于不同地层的导热性能不同，该技术方案对测温孔的传感器设置，无法监测不同地层地温的变化，进而无法统筹兼顾各地层的真实综合换热效果，以实现对系统换热进程的调控。
公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种地源热泵监控系统，对地质环境和换热过程准确可靠的监控，保证环境的稳定和系统的高效节能。
根据本公开的一个方面，提供一种地源热泵监控方法，包括如下步骤：
（1）进行浅层地热资源勘查，并根据岩土热物性测试获取场地热物性资料，确定场地地层结构及变温带深度；
（2）在场地中心布设用于监测场地地温变化的地温监测孔；
（3）在场地地下水下游边缘处的任一换热孔旁沿地下水流向布设不少于三个热影响半径监测孔、在场地地下水上游边缘处的任一换热孔旁垂直于地下水流向布设不少于三个热影响半径监测孔；
（4）在换热外地下水上游、下游以及换热场内地下水流向中心各设置一处地下水监测孔，且三孔呈三角形分布；
（5）根据地层结构在测温电缆上各地层的对应位置处设置测温探头，且所述测温电缆上每层地层对应位置处至少设一个测温探头，地层变温带对应范围内测温探头布设密度加密；
（6）将制作完成的各测温电缆依次对应放入各监测孔内，且在地下水监测孔内增设水质检测计和/或水位计；
（7）在地源侧和用户侧总进、出水管路中分别对应设置对应的个体温度、流量、压力传感器，将各管路及监测孔设置的传感器、泵变频器接入机房数据采集控制单元；
（8）控制器根据收集到的数据动态调整系统运行数据：室外环境与场地内地温温差及用户侧进出水温差分别大于设定温度时，调整对应机组热泵及水泵进入低功率运行模式；所述温差分别小于设定温度时，调整所述机组热泵及水泵进入大功率运行模式；各垂直于地下水流向热影响半径监测孔温度数据均大于对应半径的沿地下水流向的温度数据时，相应提高系统换热功率直至两监测数据相等。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（2）中，地温监测孔根据换热场地面积布设一个或多个，且在场地内均匀分布，孔深比换热孔深2m及以上。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（2）中，地温监测孔根据换热场地地层结构布设一个或多个，确保监测孔处于相同或不同的地层结构的区域的中心。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（3）中，同一分布方向上相邻的热影响半径监测孔间距为1-2m。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（4）中，位于场地外的地下水监测孔距场地边缘大于50m，且任意两地下水监测孔间的连线与地下水流向间所呈角度大于15度。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（5）中，变温带范围内测温探头按照2.5m间距加密布设。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（6）中，所述地下水监测孔传感器探头位于地下水平面以下深度。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤（8）中，所述功率运行模式的调整具体为对机组功率及水泵变频器参数的调整。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：
1. 由于沿地下水和垂直地下水两个方向各布设了一系列热影响半径监测孔，且各孔间保持一定距离，有效解决了地温地质监测数据不完整的问题，进而实现了不同季节不同气候等环境下不同程度的地下水径流对热扩散影响作用的监测，为系统运行参数的调整提供了重要的参考依据。
2. 发明人知晓的HJ 164-2020 《地下水环境监测技术规范》中4.2.1中指出对于面积较大的监测区域，沿地下水流向为主与垂直地下水流向为辅相结合布设监测点。本申请技术方案地下水监测孔采用三角形布设法，监测孔分别位于场地上、中、下游，突破了《地下水环境监测技术规范》中指出的沿地下水流向为主与垂直地下水流向为辅相结合布设监测点的常规技术思路，将上游地下水监测孔作为对照孔，中游场地内的地下水监测孔实现对影响程度最大的场中换热孔的影响监测，下游地下水监测孔对经地层自身调节后环境的监测，且任意两地下水监测孔间的连线与地下水流向间所呈角度大于15度，使各地下水监测孔能同时兼顾沿地下水流向和垂直于地下水流向的影响。本布设方法以最少数量监测孔实现了最大程度的监测。
3. 由于在各地层内都设有至少一个温度探头，且变温带内加密设置，有效解决了对地层散热监控不充分的问题，进而实现了对各地层不同换热能力的统筹兼顾，灵活动态调的整系统换热效率。
附图说明
图1为本申请一实施例中换热场规划示意图。
图2为本申请一实施例中地层结构示意图。
图3为本申请一实施例中地温监测孔布设示意图。
图4为本申请一实施例中垂直于地下水流向热影响半径监测孔布设示意图。
图5为本申请一实施例中沿地下水流向热影响半径监测孔布设示意图。
图6为本申请一实施例中地下水监测孔布设示意图。
图7为本申请一实施例中测温电缆上测温探头设置示意图。
以上各图中，1为景观湖下方的一号换热场，2为绿化带下方二号换热场，3为地温监测孔，4为各垂直于地下水流向热影响半径监测孔，5为地下水流向，
6为各沿地下水流向热影响半径监测孔，7为测温电缆，8为测温探头。
具体实施方式
本申请所涉及“第一”、“第二”等是用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所涉及“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。
以下实施例中所涉及的单元模块（零部件、结构、机构）或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。
为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
本例公开一种地源热泵监控方法，具体以黄河迎宾馆新建二期地源热泵项目为例，其供暖（制冷）面积32250m2，参见图1，换热孔分别设计位于景观湖下方的一号换热场及绿化带下方二号换热场，孔径180mm，孔深150m。包括如下步骤：
（1）对工程场地的浅层地热资源进行勘查，还包括对地下水流向、地下水水位等信息的勘探，并进行岩土热物性测试。根据前期场地地形地貌调查，且由于地源热泵系统应用建筑面积大于10000m2，故规划2个分别位于一号换热场北侧边缘和南侧边缘的的岩土热物性测试孔，2个分别位于二号换热场西北角和东南角的岩土热物性测试孔。采用岩土热物性测试仪及数字井温仪获取各测试孔岩土热物性参数并记录。
确定场地地层结构变温带。参见图2 ，根据测试孔钻孔记录结果，确定场地的地层结构组成。另一方面，由于地壳表层的吸热与散热间的不平衡，因而地壳浅部地温场会发生分带现象，由上而下分为变温带、恒温带和增温带。其中，变温带处于地壳最上部，主要受太阳辐射热影响，进而温度发生周期性变化的层带。恒温带处于变温带之下，太阳辐射热与地球内热相互达到平衡，该层带温度常年不变。增温带位于恒温带之下，主要受地球内热控制，温度随深度增加而增高。因此，不同地层对换热器的热贡献不同，进而对于不同的地温带需要不同的监控等级。根据地质勘探及岩土热物性参数记录结果，确定该场地区域变温带为15-30m。
（2）根据地质勘查数据资料，判定该项目换热场地各区域地层结构无明显起伏变化，故根据两换热场的场地区域大小，参见图3，在面积稍大的景观湖下方的一号换热场布设2个地温监测孔，并且根据地形将该一号换热场划分为两个面积近似相等的区域，两监测孔分别分布于两区域中心；在面积稍小的绿化带下方二号换热场中心布设1个地温监测孔，主要用于监测工程运行期间场地地温变化。
在其他的一些实施例中，换热场地不同区域内地层结构变化明显，不同区域内地层厚度不同，由此，在各区域中央各设置一处地温监测孔，以便于全面获取场地区域地温数据。
在其他的一些实施例中，换热场地地层结构无明显变化，且换热场地较小，故只在换热场地近似中心设置一处地温监测孔。
此外，由于换热孔底部的换热管会对孔底周围的地温环境产生影响，因此，为了地温监控的精度和准确性，故将地温监测孔的孔深确定为152m，比换热孔钻孔深度多出2m，以准确监测换热孔底的地温变化。
（3）布设热影响半径监测孔。参见图4-5，因场地内的地下水流会对地下热扩散造成影响，使换热孔周围地温发生变化，在沿地下水流向的方向上地下水对换热孔的热扩散影响程度最大，在垂直于地下水流向的方向上地下水对换热孔的热扩散影响程度最小，且由于地下水流经由换热场时，对热扩散的影响效应会不断积累，故在场地地下水下游边缘处的任一换热孔旁设置沿地下水流方向分布的热影响半径监测孔，在场地地下水上游边缘处的任一换热孔旁设置垂直于地下水流方向分布的热影响半径监测孔。
该热影响半径监测孔间间距为1m，每个方向各设4个监测孔，考虑到换热孔内U型管弯管处也参与热交换以及水的导热性比换热孔底部岩土导热性好，故将孔深均设为155m，比地温监测孔深3m。该热影响半径监测孔主要用于监测地热工程运行期间，受地下水渗流所造成的场地周边地热及环境的变化情况。在其他的一些实施例中，热影响半径为1-3m中的任一距离。
（4）为了监测地源热泵系统运行可能引起的地下水温、水质等变化，需要对场地周围地下水进行监测。故沿着场地地下水流向，从上游到下游方向布设3个地下水监测孔。出于全面监测、节省耗费的考虑，将3个地下水环境监测孔布设为三角形分布。
参见图6，根据换热场地的地形及水文条件，该换热场地地下水从西北方向到东南方向径流，在地下水上游换热场地外50m处绿化带内布设第一地下水监测孔，孔深度167m；场地中间布置第二地下水监测孔，孔深度167m；在地下水下游换热场地外50m的空地上布置第三地下水监测孔，孔深度167m；且场地外两地下水监测孔间连线与地下水流向方向呈45°夹角，第一地下水监测孔与第二地下水监测孔间连线与地下水流向方向呈15°夹角。在其他的一些实施例中，场地外上、下游位置处的地下水监测孔距离场地边缘大于50m。通过地下水监测孔可以准确了解到地源热泵对地质环境如地温、水质等的影响，进而为地热开发利用运行提供基础参数。
（5）布设温度传感器。本项目采用测温电缆加温度探头的方式对各监测孔内的温度进行实时监测。参见图7，根据勘探资料记录的地层结构，确定不同位置处的监测等级。由勘探发现，场地所处区域的变温带深度为15-30m，鉴于变温带内地层温度变化幅度相对较大，故在变温带范围对应的测温电缆相应位置处按照2.5m的间隔设置测温探头，其余地层对应的测温电缆相应范围内的中心位置处设置测温探头，以达到对各层地温监测的目的。各测温电缆制作完成后，依次对应放入各对应的监测孔内。
（6）为了实现换热场对地下水环境影响的监测，故需在地下水监测孔设置温度传感器、自动水位计和自动水质监测计，对地下水的水位及水质进行实时监测。温度传感器采用带温度探头的测温电缆，温度探头设于地下水平面以下，自动水质监测计具体采用投入式监测仪表（三合一），能够监测地下水浊度、pH、电导率等参数，且能够现场显示监测数据及具备远程传输信号的能力；自动水位计亦采用24V供电的投入式液位计，监测液位量程为0～50m，且能够现场显示监测数据及具备远程传输信号的能力。
此外，为监测地热开发利用过程中场地地下水微生物情况，每个供暖期、制冷期开始前及停止后采用人工方式在监测井中各取水样1组，送实验室进行微生物测试。运行期每15天人工取样1组，以了解地热开发利用过程期间地下水中微生物的变化情况。
（7）在机房地源侧和用户侧的进、出水总管路中分别设置温度传感器、流量传感器以及压力传感器，用以获取管路的中循环介质的温度、流量及压力信息，温度传感器采用DS18B20型测温传感器，流量传感器采用自控智能水表，压力传感器采用Honeywell型水管压力传感器。此外，各传感器均带有远程输出接口，通过数据采集装置例如RTU、PLC、单片机等采集监测数据，提供监测系统的控制依据。
（8）系统动态调整。监测数据的采集实现设定间隔时间进行自动采集，在热泵系统运行期间每隔10分钟采集一次数据，热泵系统停止期间每隔12小时采集一次数据。
监测数据显示室外环境温度与地温监测温度温差超过设定温差10℃，且用户侧进出水温差大于6℃时，采用低功率运行模式，控制系统自主调小热泵机组功率、调节泵变频器以减小循环水流速，依靠自然温差的热传导作用实现部分的供热或制冷效果。当室外环境温度与地温监测温度温差未超过设定温差10℃，且用户侧进出水温差小于6℃时，采用大功率运行模式，系统自动调大热泵机组工作功率、调节泵变频器以加快循环水流速，保证正常换热。由此，使系统最大限度的降低运行能耗，实现节能控制。
当各垂直于地下水流向热影响半径监测孔测得温度数据均大于对应半径的沿地下水流向热影响半径监测孔的温度数据时，由于垂直于地下水方向受地下水热扩散作用影响相对较小，故作为参考值，其大于沿地下水流向相应半径监测孔内温度数据时，则地下水对热扩散起促进作用，进而相应提高系统换热功率直至两监测数据相等，最大程度的利用地下水的热效应以实现系统的节能运行。
另一方面，场外各监测孔内监测数据作为背景值，场内各监测孔内监测数据作为影响值，利用背景值与影响值之间的差值评价地热开发对环境的影响，以保证地热开发的可持续性、合理性。当差值较大时说明换热场地因热效应现象出现局部地热环境异常，需要相应的降低系统的换热率，适当调小系统换热运行功率。且以系统初次运行时各监测孔监测数据作为初始值，其余年度相应供暖（制冷）期监测数据作为对比值，二者之间的差异作为控制依据，相应的调整系统换热效率，保证而后年度的地质参数与初始值相等，确保环境的稳定性，进而实现换热的可持续性。
在黄河迎宾馆新建二期项目中总共布设垂直地埋管360个，其中绿化带下方的一号换热场布设152个孔，景观湖下方的一号换热场布设208个孔。单孔有效换热深度150m，换热孔间距为5m，孔内设置双U型管，供暖（制冷）建筑面积31350m2，且景观湖湖底换热孔采用粘土+防渗膜的双层防渗结构，换热孔和管路布设在景观湖下方，更有利于土壤源地埋管的换热、有效节约了地下空间资源。经统计，本申请的方案相较于传统地源热泵系统换热效率提高了10%，且能保持地质环境的稳定，有效促进地区经济绿色、稳定、可持续、高质量的协调发展。
尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种地源热泵监控方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）进行浅层地热资源勘查，并根据岩土热物性测试获取场地热物性资料，确定场地地层结构及变温带深度；
（2）在场地中心布设用于监测场地地温变化的地温监测孔；
（3）在场地地下水下游边缘处的任一换热孔旁沿地下水流向布设不少于三个热影响半径监测孔、在场地地下水上游边缘处的任一换热孔旁垂直于地下水流向布设不少于三个热影响半径监测孔；
（4）在换热外地下水上游、下游以及换热场内地下水流向中心各设置一处地下水监测孔，且三孔呈三角形分布；任意两地下水监测孔间的连线与地下水流向间所呈角度大于15度；
（5）根据地层结构在测温电缆上各地层的对应位置处设置测温探头，且所述测温电缆上每层地层对应位置处至少设一个测温探头，地层变温带对应范围内测温探头布设密度加密；
（6）将制作完成的各测温电缆依次对应放入各监测孔内，且在地下水监测孔内增设水质检测计和/或水位计；
（7）在地源侧和用户侧总进、出水管路中分别对应设置对应的个体温度传感器、流量传感器、压力传感器，将各管路及监测孔设置的传感器、泵变频器接入机房数据采集控制单元；
（8）控制器根据收集到的数据动态调整系统运行数据：室外环境温度与场地内地温温差及用户侧进出水温差分别大于设定温度时，调整对应机组热泵及水泵进入低功率运行模式；所述温差分别小于设定温度时，调整所述机组热泵及水泵进入大功率运行模式；各垂直于地下水流向热影响半径监测孔温度数据均大于对应半径的沿地下水流向的温度数据时，相应提高系统换热功率直至两监测数据相等。
2.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，地温监测孔根据换热场地面积布设一个或多个，且在场地内均匀分布，地温监测孔比换热孔深2m及以上。
3.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，地温监测孔根据换热场地地层结构布设一个或多个，确保监测孔处于相同或各不同的地层结构的换热区域中心。
4.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，沿地下水流向上和/或垂直于地下水流向上相邻的热影响半径监测孔间距为1-2m。
5.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，位于场地外的地下水监测孔距场地边缘大于50m。
6.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，变温带范围内测温探头按照2.5m间距加密布设。
7.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，所述地下水监测孔传感器探头位于地下水平面以下深度位置处。
8.根据权利要求1所述的地源热泵监控方法，其特征在于，在所述步骤（8）中，所述低功率运行模式和/或所述大功率运行模式的调整具体为对机组功率及水泵变频器参数的调整。
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