地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行期地溫監(jiān)測與分析

王小清，王萬忠

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行期地溫監(jiān)測與分析

王小清，王萬忠

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

以上海地區(qū)某工程為例，通過設置地溫監(jiān)測系統(tǒng)并對地溫進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果和地源熱泵系統(tǒng)運行情況，對地埋管地源系統(tǒng)運行期地溫場的變化特征進行分析研究。結果表明：換熱區(qū)地溫變化與地源熱泵系統(tǒng)的運行情況相關，呈現(xiàn)規(guī)律性的變化；經(jīng)過一個運行年度，換熱區(qū)的地溫場能夠基本恢復至原始狀態(tài)；系統(tǒng)運行對換熱區(qū)外圍區(qū)域地溫場的影響范圍有限。研究成果可為淺層地溫能的開發(fā)利用提供技術支持。

淺層地溫能；地源熱泵系統(tǒng)；地溫監(jiān)測；溫度場

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地熱能資源的高效節(jié)能空調系統(tǒng)，同時也是一項利用可再生能源的建筑節(jié)能技術。近年來，隨著國家對可再生能源利用、節(jié)能減排等工作的加強，在相關政策的扶持下，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應用發(fā)展迅速。地埋管地源熱泵系統(tǒng)在運行過程中將一定程度上改變換熱區(qū)的地溫場[1]，地溫場的改變直接影響系統(tǒng)性能和換熱區(qū)的地質環(huán)境[2]。因此，通過設置地溫監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握系換熱區(qū)地溫動態(tài)的變化特征，科學指導系統(tǒng)運行，對達到系統(tǒng)最優(yōu)性能和保護地質環(huán)境具有重要意義。

本文以上海某地埋管地源熱泵系統(tǒng)為例，開展地溫監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析研究工作，為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應用提供借鑒。

1 工程概況

某學院圖文信息中心工程位于上海市青浦區(qū)，建筑面積約15500m2，采用豎直地埋管地源熱泵空調系統(tǒng)，共設置深100m的單U型換熱孔250個。受埋管面積的限制，換熱孔分南、北兩個區(qū)域進行布置；地溫監(jiān)測選擇在南區(qū)的換熱區(qū)進行布置，如圖1。

圖1 監(jiān)測區(qū)換熱孔布設Fig.1 The arrangement of heat exchanger

2 地溫監(jiān)測系統(tǒng)設置

2.1 監(jiān)測孔平面布置

地溫監(jiān)測共分3個區(qū)域，監(jiān)測一區(qū)（近換熱區(qū)中部）布置3個監(jiān)測孔，監(jiān)測二區(qū)（換熱區(qū)西北部）布置1個監(jiān)測孔，監(jiān)測三區(qū)（換熱區(qū)東部）布置5個監(jiān)測孔。其中，一區(qū)設有一個換熱孔兼監(jiān)測孔，各區(qū)監(jiān)測孔與換熱孔之間位置關系見圖2。

圖2 監(jiān)測孔平面位置Fig.2 The planimetric position of monitoring hole

2.2 監(jiān)測點布置

地溫監(jiān)測采用SLST1-8A數(shù)字式溫度傳感器，其按照不同深度設置在監(jiān)測孔內，各監(jiān)測孔溫度傳感器布設情況見表1。

表1 監(jiān)測孔溫度測點布設深度Table1 Layout depth of temperature sensor in monitoring hole

機房進水總管上布置2臺流量計，4根進出水總管上布置4個溫度傳感器。

2.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

采用SLET1000-3地溫自動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)采集、處理后，通過GPRS發(fā)送到數(shù)據(jù)采集中心，從而實現(xiàn)地溫數(shù)據(jù)的實時、集中在線監(jiān)測。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

3.1 系統(tǒng)運行情況及分析數(shù)據(jù)的選取

監(jiān)測系統(tǒng)于2010年6月18日開始對地溫進行監(jiān)測。

地源熱泵系統(tǒng)運行情況：2010年8月2日～10月10日為制冷季，2010年11月30日～2011年3月4日為供暖季，2011年6月5日～9月30日為制冷季。為分析在地源熱泵系統(tǒng)一個完整的運行年度之后熱泵系統(tǒng)對地溫場的影響，本文分析的數(shù)據(jù)的時間結點定在2011年供暖季開始之前，即2011年10月底。

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率為5分鐘一次，由于監(jiān)測期較長，采集的數(shù)據(jù)量較大，在保證準確反映溫度變化趨勢的前提下，每間隔30分鐘選取一個數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 監(jiān)測一區(qū)

熙熙攘攘中，筆者看到了兩個江湖都在起風涌浪，有人在高唱，今日“濤浪淘盡紅塵俗事知多少”；隱隱約約中，筆者已經(jīng)感受到了兩個江湖都在升溫降溫，有人在感嘆，未來“豪情還剩了一襟晚照”。

監(jiān)測孔J1、J2、J3布置在55、65、66號換熱孔所圍成的三角形區(qū)域內，各監(jiān)測孔在監(jiān)測期的成果見圖3。

從圖3中可以看出：監(jiān)測期J1、J2、J3孔20m以深的地溫，隨著地源熱泵系統(tǒng)的制冷季—過渡季—供暖季—過渡季—制冷季的轉換而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，制冷季溫度升高，供暖季溫度降低，過渡季溫度逐漸恢復；20m以淺的地溫變化特征基本與氣溫的變化規(guī)律相同。

J1孔溫度2011年4月14日達到最低，與初始平均地溫相比降低了約0.36℃；2011年10月11日達到最高，較初始平均地溫升高約1.71℃。J2孔溫度2011年4月12日達最低，與初始平均地溫相比降低了0.28℃；2011年10月9日達最高，較初始平均地溫升高約1.70℃。J3孔溫度2011年4月22日達最低，較初始平均地溫降低了0.20℃； 2011年10月25日達最高，較初始平均地溫升高1.67℃。

圖3 監(jiān)測一區(qū)監(jiān)測孔地溫變化曲線Fig.3 Soil temperature distribution of J1～J3 hole in No.1 monitoring area

3.3 監(jiān)測二區(qū)

該監(jiān)測區(qū)布置J12孔，位于22、23、32、33號換熱孔所圍的中心位置。J12距22、23號換熱孔距離分別為2.64m、2.61m。該監(jiān)測孔因溫度傳感器損壞，僅采集至2011年7月19日。監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

從圖4中可以看出，溫度總體變化規(guī)律與監(jiān)測一區(qū)相同。該孔2010年10月19日達到最高，較初始平均地溫升高約0.77℃；2011年4月14日達最低，較初始平均地溫降低約0.16℃。

圖4 監(jiān)測二區(qū)監(jiān)測孔地溫變化曲線Fig.4 Soil temperature distribution of J12 hole in No.2 monitoring area

3.4 監(jiān)測三區(qū)

該監(jiān)測區(qū)布置J4、J5、J6、J7、J8孔，監(jiān)測孔沿垂直于換熱區(qū)邊緣94、95、96號換熱孔的直線連線，在換熱區(qū)外圍布設。J4、J5、J6、J7、J8孔距95號換熱孔的距離分別為1.12m、5.74m、7.82m、10.59m、11.81m。各監(jiān)測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5。

從圖5中可以看出：J4、J5孔地溫總體變化規(guī)律與監(jiān)測一區(qū)、二區(qū)相同；J6、J7、J8孔20m以深的地溫在整個監(jiān)測期內的變化極小。

J4孔溫度2011年4月13日達最低，較初始平均地溫降低了0.10℃；2011年11月3日達最高，較初始平均地溫升高1.08℃。J5孔溫度2011年10月30日達最高，較初始平均地溫升高0.66℃。

圖5 監(jiān)測三區(qū)監(jiān)測孔地溫變化曲線Fig.5 Soil temperature distribution of J4～J8 hole in No.3 monitoring area

3.5 綜合分析

根據(jù)各監(jiān)測孔地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，可以認為：

換熱區(qū)地溫變化與地源熱泵系統(tǒng)的運行情況相關，呈規(guī)律性變化；地溫變化幅度與換熱孔的距離相關，換熱區(qū)中心區(qū)域變化幅度較大，而邊緣區(qū)域地溫變化相對較小，如監(jiān)測一區(qū)地溫變化幅度是監(jiān)測二區(qū)的2倍左右。

地源熱泵系統(tǒng)運行時對換熱區(qū)外圍區(qū)域地溫影響，隨距離增大而逐漸減弱。如J5與J4孔相比，其溫度變化曲線坡度較緩，變化幅度較小；而J6、J7、J8孔地溫基本未變化，可以認為不受系統(tǒng)運行的影響。

4 結論

（1）地埋地源熱泵系統(tǒng)運行將改變換熱區(qū)溫度場，溫度場的改變與系統(tǒng)的運行情況相關，呈規(guī)律性變化。

（2）經(jīng)過一個運行年度，換熱區(qū)的地溫場基本能夠恢復至初始地溫值狀態(tài)。

（3）換熱區(qū)20m以淺地溫場受氣候和系統(tǒng)運行的綜合影響，以氣候影響為主；20m以深地溫場僅受系統(tǒng)運行的影響。

（4）換熱區(qū)外圍區(qū)域地溫場，因距離的增大而受系統(tǒng)運行影響逐漸減弱，影響范圍有限。

References)

[1] 莊宇,潘小平. 地源熱泵空調系統(tǒng)的換熱工區(qū)巖土體的溫度變化研究[J]. 水文地質工程地質,2010,37(6):134-138.

Zhuang Y, Pan X P. A study of the soil temperature change caused by GSHP air-conditioning system[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2010,37(6):134-138.

[2] 高世軒. 上海地源熱泵系統(tǒng)對地質環(huán)境熱影響研究[J]. 上海國土資源,2012,33(1):67-70.

Gao S X. Analyzing the influence of heat on the geological environment surrounding ground source heat pump system in Shanghai[J].Shanghai Land & Resources,2012,33(1):67-70.

Soil-Temperature Monitoring and Analysis of a Ground Source Heat Pump System During the Operating Period

WANG Xiao-Qing, WANG Wan-Zhong
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

This paper reports the results of a soil-temperature monitoring project in the Shanghai area. A soil-temperature monitoring system was installed to monitor fluctuations in soil temperature. Measurements of temperature and of the operating status of the ground source heat pump system indicate that the soil temperature field in the ground-coupled heat pump system varied during the operating period. The results show that the soil temperature distribution in the heat exchanger is associated with the operation of the ground source heat pump (GSHP) system. After one year of operation, the soil temperature distribution in the heat exchanger returns essentially to the original condition. The running of a GSHP system cannot affect temperature changes outside the heat exchanger. The results should provide technical support for the development and utilization of shallow geothermal resources.

shallow geothermal energy; ground source heat pump system; soil temperature monitoring; temperature field

P314

A

2095-1329(2013)02-0076-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.018

2012-08-07

2013-03-15

王小清(1974-),男,高級工程師,主要從事淺層地熱能開發(fā)利用研究.

電子郵箱：sigee930@163.com

聯(lián)系電話：021-66110691

上海市規(guī)劃和國土資源管理局科研項目“地源熱泵系統(tǒng)應用對地質環(huán)境熱影響研究”