地埋管地源熱泵換熱區(qū)原始地溫特征分析

■ 孫婉 周念清 高世軒 魏靜

(1. 同濟大學地下建筑與工程系；2. 上海市地礦工程勘察院)

0 引言

淺部土層的原始地溫，既是計算地埋管地源熱泵系統(tǒng)取放熱量的背景條件，也是地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計與運行評價的重要參數，因此，掌握其變化規(guī)律是非常必要的[1]。同時，由于地源熱泵系統(tǒng)運行將在一定程度上改變地層溫度場特征[2,3]，影響地質環(huán)境，通過監(jiān)測地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱區(qū)原始地溫，為地源熱泵運行對地質環(huán)境影響研究提供背景數據，指導地源熱泵系統(tǒng)應用，對保護地質環(huán)境、合理利用淺層地熱能資源、保障能源安全具有重要意義。

Popiel 等[4]對停車場下0～7 m及草坪下0～17 m深度土層地溫變化進行了監(jiān)測，并與Baggs公式計算結果進行對比，試驗監(jiān)測結果與Baggs公式計算結果吻合。國內外也有很多學者通過建立模型對特定區(qū)域不同深度土層的原始地溫進行了計算。Mihalakakou 等[5,6]通過利用神經網及Haar 微波等理論方法對不同深度地層原始地溫進行了估算 。Chowa[7]通過對0～3 m地層溫度進行4年的監(jiān)測，認為0～3 m地層溫度變化與環(huán)境的干球溫度有很大的相關性，并通過模型得出了兩者關系。王華軍等[8]在淺層土壤溫度分布理論模型的基礎上，計算分析了測試土壤初始溫度的季節(jié)變化特征。但從以往的研究成果中可見，大多研究成果都基于理論研究，缺少實測數據進行驗證，并且研究深度未能達到地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計深度，對實際工程設計及運行的指導意義不強。

因此，本文以上海市某別墅地源熱泵工程為例，對場區(qū)75 m以淺深度的土層原始地溫進行了為期1年的監(jiān)測，并對實測數據進行歸納分析，以期為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計及運行策略工作提供一定的參考依據。

1 原始地溫監(jiān)測系統(tǒng)布設

1.1 原始地溫監(jiān)測孔布設

通過布設監(jiān)測孔對地源熱泵換熱區(qū)原始地溫進行監(jiān)測，原始地溫監(jiān)測孔布設滿足兩個條件：

1)原始地溫監(jiān)測孔位于實驗場區(qū)內部，與埋管區(qū)地層條件相同；

2)原始地溫監(jiān)測孔距埋管區(qū)有一定距離從而不受地源熱泵埋管區(qū)地溫波動影響。

因此，在實驗場區(qū)選定距離埋管區(qū)20 m處布設原始地溫監(jiān)測孔，原始地溫監(jiān)測孔布設位置見圖1。

圖1 原始地溫監(jiān)測孔布設位置示意圖

1.2 原始地溫監(jiān)測孔內監(jiān)測點垂向布設

在監(jiān)測孔內布設溫度傳感器，原始地溫監(jiān)測孔內監(jiān)測點的垂向布設主要兼顧兩方面因素：

1)變溫帶受氣溫影響顯著，溫度梯度變化較快，因此變溫帶需布設監(jiān)測點；

2)結合場地的地層特點，對各主要地層進行監(jiān)測。

因此，孔中監(jiān)測點深度分別為2 、5 、10 、25 、40 、55 、75 m。

1.3 監(jiān)測儀器

1) 溫度傳感器：Pt1000型鉑電阻溫度傳感器，精度為0.15 ℃；

2) 導線：A級三線制屏蔽導線；

3) 數據采集系統(tǒng)：采用遠傳式LRL智能數字巡檢儀采集數據。

2 原始地溫垂向分布帶劃分

地層原始地溫的垂向分布特征受當地氣候、地層結構、地層巖性、水文地質條件、第四紀覆蓋層厚度、地質構造等多方面因素影響。通?？煞譃樽儨貛?、恒溫帶和增溫帶。變溫帶是指地球表面受太陽輻射的影響，其溫度有晝夜、季節(jié)、年份、世紀，甚至更長的周期性變化，其厚度一般為15～20 m；恒溫帶是指溫度變化幅度幾乎等于零的地帶(即距地表最淺的年溫度變化小于0.1 ℃的地帶)，深度一般為20～30 m(不同緯度地區(qū)的恒溫帶深度不同)；增溫帶是指在恒溫帶以下，溫度隨深度增加而升高，其熱量主要來源于地球內部的熱能。

掌握地溫場垂向分布特征對地源熱泵系統(tǒng)設計及運行策略的制定具有重要的指導意義。因此，對實驗場區(qū)連續(xù)1年的原始地溫監(jiān)測數據進行整理分析，實驗場區(qū)地溫垂向分布帶明顯、規(guī)律性好。

圖2為實驗場原始地溫垂向分布帶劃分圖。從圖可見，實驗場區(qū)變溫帶深度約在23 m，這一帶溫度變化主要受氣候溫度影響，隨著深度增加影響幅度逐漸減??；實驗場區(qū)恒溫帶深度約在28 m，厚度為5 m，溫度為17.9 ℃；增溫帶位于恒溫帶以下，增溫率約為3.4 ℃/100 m。

圖2 原始地溫垂向分布帶劃分

3 不同深度原始地溫變化特征

一般情況下，淺部土層的原始地溫分布可描述為：在一給定周期性邊界條件下，確定半無窮大平面物體的一維非穩(wěn)態(tài)導熱解。Baggs得出了一個簡化計算關系式[9,10]：

式中，h為深度；tm為年平均氣溫；Δtm為地溫偏差系數；Kv為植被系數；AS為年平均氣溫波幅；a為熱擴散率；τ為時間；τ0為氣溫初相。

在沒有實測數據條件下，Baggs公式對地源熱泵系統(tǒng)設計人員進行設計具有較大的指導性。有學者通過大量實驗表明，Baggs公式在恒溫帶和變溫帶有較高的計算精度，但不適用于增溫帶[10]。而地源熱泵埋管深度一般在80～120 m，大部分處于增溫帶中，結合具體工程實測數據更為精準。

圖3為實驗場不同深度土層溫度全年變化情況，可看出，隨著季節(jié)變化，不同深度的土層溫度波動情況存在較大差異，且具有一定的滯后性，深度越深滯后時間越長，這會對地源熱泵系統(tǒng)設計造成一定的影響。因此，工程設計中的原始地溫并非一成不變，而是具有季節(jié)效應，這一點應充分引起設計人員的注意。

圖3 不同深度土層溫度全年變化曲線圖

從監(jiān)測結果可見，5 m以淺深度范圍內地溫受環(huán)境溫度影響波動較大，尤其是地源熱泵水平埋管深度一般為2～5 m，這將對地埋管換熱器換熱產生影響。從圖3可見，2 m地溫的波動中心和波幅分別為18.53 ℃和7.54 ℃；波谷溫度為14.76 ℃，出現在3月22日(第81天)；波峰溫度為22.30 ℃，出現在9月25日(第270天)。5 m地溫的波動中心和波幅分別為18.40 ℃和2.21 ℃；波谷溫度為17.29 ℃，出現在6月5日(第155天)，比2 m深地溫波谷值出現時間滯后74天；波峰溫度為19.50 ℃，出現在12月6日(第340天)，比2 m深地溫波峰值出現時間滯后70天。

上海地區(qū)的空調系統(tǒng)夏季運行時間一般為6月初到10月初，冬季運行時間一般為12月初到次年3月初。因此，5 m深處土層溫度波動不會對地埋管換熱器產生明顯不利影響。而2 m以淺深處土層受地表溫度影響波動幅度較大，這將對地埋管換熱器換熱效率產生較大影響，因此建議淺部換熱器需加強換熱器保溫處理。

同時，為了在沒有實測數據情況下能夠了解2 m、5 m深處地層不同時間段地溫變化情況，本文根據1年的監(jiān)測結果，對地溫曲線進行了擬合，得出了計算公式。擬合以1月1日為起始日期，并以365天為1個周期。

2 m深處地溫變化曲線公式為：

表1 2 m和5 m深處地溫擬合公式

式中，x為天數；y為溫度。

5 m深處地溫變化曲線公式為：

4 結論

1)地層原始地溫由于受氣候、地質條件等多因素影響，不同區(qū)域存在較大差異，因此地源熱泵設計前需對場區(qū)原始地溫進行勘察，對實驗場區(qū)原始地溫垂向分布帶進行劃分。

2)對實驗場原始地溫垂向分布帶進行了劃分，實驗場區(qū)變溫帶深度約在23 m，這一帶溫度受氣候溫度影響較大，會出現季節(jié)性波動；實驗場區(qū)恒溫帶深度約在28 m，厚度為5 m；增溫帶位于恒溫帶以深，增溫率約為3.4 ℃/100 m。

3)不同深度的土層溫度隨著季節(jié)的變化其變化趨勢具有一定差異，一般具有滯后性，工程設計中應考慮原始地溫的季節(jié)效應。

4) 2 m以淺深處土層受地表溫度影響波動幅度較大，建議淺部換熱器需加強換熱器保溫處理。

5)對2 m及5 m地溫曲線進行了擬合，得出了計算公式，可供工程設計作為參考依據。

[1] GB 50366-2005, 地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].

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