重慶市淺層地溫能開發(fā)利用地溫場變化規(guī)律研究

張甫仁，王樂祥，李雪洋，彭清元，王策策

(1.重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147)

0 引 言

隨著社會能源消耗量的大幅上升，淺層地溫能作為一種新型能源[1]，其開發(fā)利用不僅環(huán)保，而且節(jié)能。我國對淺層地溫能的研究起步較晚，近幾年才開始大規(guī)模的研究，國土資源部加強了淺層地溫能開發(fā)利用工作[2]。一般情況下，淺層地溫能的開發(fā)利用形式主要是地源熱泵系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的能源利用形式，地源熱泵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用較少的電能得到大量熱能。

重慶市由于其特殊的地理位置和地層構(gòu)造，淺層地溫能作為可再生能源的一類，其開發(fā)利用關(guān)系到重慶市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整。2011—2012年，中國地質(zhì)調(diào)查局下達(dá)了“重慶市淺層地溫能調(diào)查評價”項目[3]，同年，“重慶市淺層地溫能開發(fā)利用前景研究”項目[4]也被重慶市國土資源局批準(zhǔn)，緊接著開展了 “淺層地溫能在重慶市開發(fā)利用情況調(diào)查評價”工作。大量有關(guān)重慶市淺層地溫能調(diào)查評價[5]及科研項目的開展，不僅得到了重慶市淺層地溫能的分布情況和儲存量[6]，為后期開發(fā)利用提供了依據(jù)，同時也為本研究奠定了基礎(chǔ)。

雖然重慶市在淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用方面開展了大量的探索性基礎(chǔ)研究工作，促進(jìn)了淺層地溫能的應(yīng)用，獲得了很多寶貴的經(jīng)驗，但仍存在一些問題亟待解決。目前重慶在利用淺層地溫能方面缺少系統(tǒng)長期運行的地溫動態(tài)監(jiān)測及對地下的地質(zhì)環(huán)境影響研究。筆者在地源熱泵技術(shù)領(lǐng)域所研究的淺層地溫資源監(jiān)測網(wǎng)將為地溫能的開采和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[7]，極具理論與實踐意義。

1 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計與建設(shè)

1.1 設(shè)計建設(shè)原則

1) 監(jiān)測網(wǎng)要建設(shè)在具有代表性的區(qū)域，其要兼顧水文地質(zhì)、地層構(gòu)造、區(qū)域地質(zhì)等特點。

2) 符合地源熱泵換熱系統(tǒng)實際情況，操作方便。

3) 監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)中選擇具有代表性的監(jiān)測點。

4) 確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和連續(xù)。

5) 監(jiān)測情況要有目標(biāo)性和針對性。地溫動態(tài)、熱泵運行能效、熱泵運行對地質(zhì)環(huán)境影響等應(yīng)為監(jiān)測網(wǎng)主要監(jiān)測內(nèi)容。

6) 在覆蓋整個重慶市主城區(qū)的同時，根據(jù)城區(qū)規(guī)劃進(jìn)行建設(shè)，方便管理。

1.2 監(jiān)測網(wǎng)總體構(gòu)架

該監(jiān)測系統(tǒng)利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線采集與通信技術(shù)可在重慶地區(qū)高效穩(wěn)定且大面積的監(jiān)測淺層地溫能情況。該淺層地溫能監(jiān)測網(wǎng)由控制系統(tǒng)控制多個高精度傳感器探頭和數(shù)據(jù)采集接收中心組成，其中無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸是采用GPRS/CDMA，該檢測系統(tǒng)最多可以容納數(shù)據(jù)終端9 999個，最多可以安裝高精度能效監(jiān)測傳感器16萬個，足以滿足重慶市淺層地溫能的實際監(jiān)測需求。該監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)造如圖1。

1.3 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)

根據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境研究所制定的《全國重點城市淺層地溫能調(diào)查評價技術(shù)要求》、《國土資源部關(guān)于大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》(國土資發(fā)[2008] 249號)等文件要求，結(jié)合淺層地溫能監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際需要，監(jiān)測網(wǎng)中心站建在重慶南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊人和基地。在調(diào)查評價的整個1 682 km2工作區(qū)域范圍內(nèi)選擇具有不同地質(zhì)環(huán)境和代表性的5個地區(qū)建設(shè)監(jiān)測站，且安排5名工人長期監(jiān)測孔，在5個監(jiān)測站中選擇2個建立能效監(jiān)測站，這兩個典型地源熱泵應(yīng)用工程分別為重慶南江水文地質(zhì)隊集資樓地源熱泵項目和后勤工程學(xué)院地源熱泵項目。

圖1 淺層地溫能監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)造Fig. 1 Structure of the monitoring network of shallow geothermal energy

2 監(jiān)測站建設(shè)

2.1 監(jiān)測站工程概況

此次研究主要選取重慶南江水文地質(zhì)隊集資樓地源熱泵項目的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊修建的集資樓是一棟集辦公和職工住宅于一體的綜合型大樓。集資樓為單棟3～32F/-3F，該樓總建筑面積為48 528.81 m2。商用樓是1F，辦公室在2～3F，員工住宅在4F以上。其中1F商用樓和2～3F辦公室部分采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，面積為6 368 m2。建筑物冷負(fù)荷為605 kW，熱負(fù)荷298 kW，集資樓采用復(fù)合式系統(tǒng)(地源熱泵和衛(wèi)生熱水并用)，以埋管間距4.5和5 m，以鉆孔深度100 m布置鉆孔90個。這樣能解決地源熱泵系統(tǒng)由于冬季長期排熱取熱量不均造成的問題。

2.2 地溫監(jiān)測系統(tǒng)

南江地質(zhì)隊的集資樓地源熱泵系統(tǒng)作為長期運行監(jiān)測站點，有監(jiān)測用鉆孔5個，監(jiān)測孔布置情況如圖2。其中，2號孔和3號孔用于研究U型埋管的換熱性能，1、4和5號孔用于研究系統(tǒng)運行地溫場變化情況。

圖2 監(jiān)測孔布置示意Fig. 2 Layout diagram of measuring holes

為了監(jiān)測溫度變化情況，即全年原始地溫變化，全年周邊環(huán)境溫度變化，換熱器運行時土壤溫度變化和對埋管換熱器保溫30 m以后的進(jìn)出口溫度變化。在1號地溫監(jiān)測孔地下15 m范圍內(nèi)每米安置一個，其余孔20 m以深每10 m安置一個溫度傳感器，共用熱敏電阻測溫元件62支。

3 監(jiān)測站點地溫監(jiān)測分析

3.1 土壤原始地溫分析

重慶市的地層變溫帶為0～10 m，恒溫帶則是11 m以下。雖然在恒溫帶中地層溫度也隨深度逐漸升高，但是不同的深度范圍地?zé)崽荻冗€是不同[8]?；谖墨I(xiàn)研究結(jié)果，通過地溫監(jiān)測系統(tǒng)采集2011年3月28日—2014年10月28日的地溫數(shù)據(jù)，繪制溫度變化曲線如圖3。

圖3 地下巖土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 3 Temperature monitoring data of underground rock

從圖3中可以看出，2013年2月以前在沒有埋管換熱器的干擾下，不同深度的突然溫度呈周期性變化，這是土壤原始變化規(guī)律。變溫帶因為和大氣環(huán)境接觸，且換熱性能良好，其變化規(guī)律和大氣溫度變化規(guī)律相同，恒溫帶距大氣環(huán)境有10 m多，且換熱性能較差，其地溫變化和大氣溫度變化沒有關(guān)系，監(jiān)測孔的原始溫度實際測試曲線放大如圖4。

圖4 原始地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 4 Original geo-temperature monitoring data

通過巖土熱相應(yīng)測試得到的土壤原始溫度為20.0～20.4 ℃，這和地溫監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測到的1號、4號、5號孔的實際原始地溫數(shù)據(jù)20.06、19.90、20.01 ℃基本相符。由于熱響應(yīng)測試會被季節(jié)效應(yīng)影響，測試結(jié)果不準(zhǔn)確，夏季相對冬季溫度波動大，所以，通過地溫監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)比熱響應(yīng)測試得到的數(shù)據(jù)更為可靠。

經(jīng)歷了兩個完整的地源熱泵系統(tǒng)運行后，土壤恒溫帶從2013年2月至今，已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的溫度變化，供暖期土壤溫度下降幅度較大，制冷期土壤溫度上升幅度較大，這是因為供暖期地源熱泵系統(tǒng)從巖土取熱，制冷期地源熱泵系統(tǒng)向巖土放熱。

3.2 年度溫度變化情況

地源熱泵系統(tǒng)從2013年2月1日—2013年3月5日為第1個運行供暖期，2013年5月15日—2013年9月25日為第1個運行制冷期；2013年11月1日—2014年2月25日為第2個運行供暖期，2014年6月1日—2014年9月15日為第2個運行制冷期。

通過監(jiān)測收集整理兩年的供暖期和制冷期的地溫數(shù)據(jù)，去掉不全的日期內(nèi)的數(shù)據(jù)后，計算并繪制了2013—2014年系統(tǒng)運行地溫監(jiān)測變化，如圖5。

由圖5可見：1號、4號和5號孔20 m以深的地溫，隨著地源熱泵系統(tǒng)的供暖期-過渡期-制冷期-過渡期-供暖期的轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，巖土溫度先是在冬季供暖期內(nèi)降低，然后在夏季制冷期內(nèi)升高，最后在過渡期內(nèi)逐漸恢復(fù)。從圖5可見5號孔土壤溫度變化幅度比1號和4號孔更明顯，這是因為5號孔為運行孔，地源熱泵系統(tǒng)地埋管管壁處接觸土壤，致使土壤溫度波動幅度大。由于土壤換熱是一種復(fù)合傳熱過程[9]，是由管內(nèi)強迫換熱和管外自然換熱組成，所以其熱阻主要為埋管外的土壤熱阻。因此豎直埋管換熱器在半徑方向上各處地溫振幅衰減迅速，土壤溫度對傳熱的波峰變化和時間延遲也顯得十分明顯。綜上原因，5號孔和1號、4號孔的制冷期最高溫出現(xiàn)的月份不同，5號孔最高溫度為8月份，而1號孔和4號最高溫為10月份。在制冷期結(jié)束后，由于存在延遲性，5號孔和1號孔、4號孔地溫能恢復(fù)情況也不同，5號孔恢復(fù)較快，而1號孔和4號孔恢復(fù)較慢。

此外，從圖5還得知，雖然深度不同的巖土層的溫度變化情況存在部分差異，但是整體變化趨勢一致，在100 m深度的非運行孔的地溫變化幅度非常小，幾乎保持不變。通過對比兩年的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)和1號孔、4號孔的溫度變化規(guī)律得到，距離運行孔越遠(yuǎn)，巖土溫度變化所受影響越小。

在2013—2014年兩年的系統(tǒng)運行情況下，監(jiān)測得到制冷期和供暖期的地溫數(shù)據(jù)，通過整理分析后，選取恢復(fù)期的平均溫度繪制變化趨勢，如圖6，方便直觀看出系統(tǒng)運行后土壤溫度變化情況。

圖6 不同孔埋管區(qū)域地下巖土溫度變化總趨勢Fig. 6 Total change trends of underground temperature for the buried holes in different regions

由圖6可見，5號孔的土壤溫度變化幅度明顯比1號孔和4號孔大，原因在之前已經(jīng)分析。重慶是夏熱冬冷地區(qū)，建筑物的冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，所以夏季地溫升幅明顯比冬季地溫降幅大，通過運行的兩年來看，第1年供暖運行恢復(fù)正常，制冷運行恢復(fù)緩慢，供暖期結(jié)束后溫降僅為0.05 ℃，而制冷期結(jié)束后，地溫升達(dá)到3.45 ℃，但此溫升不會對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性造成影響，因為此溫升可為恢復(fù)期之后的供暖期提供熱量，相當(dāng)于部分熱量從夏季到冬季的換季使用。但是當(dāng)?shù)?個完整運行年結(jié)束后，相對于原始地溫，溫升2.27 ℃，長此以往，土壤溫度是不斷升高的，其原因主要為重慶地區(qū)冬季熱負(fù)荷太小，夏季冷負(fù)荷過大，不能充分利用夏季排放到土壤中的熱能。

3個監(jiān)測孔運行全年平均溫度和溫度變化情況統(tǒng)計如表1。

表1 各監(jiān)測孔全年平均溫度及其升幅(2013—2014)Table 1 The annual average temperature and increase range of the monitoring holes (2013—2014) ℃

由表1可見，隨著系統(tǒng)的運行，土壤平均溫度呈上升趨勢，產(chǎn)生輕微熱堆積情況，但2014年比2013年僅有小幅溫升，目前該地源熱泵系統(tǒng)運行狀況良好，地溫變化未對系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，監(jiān)測網(wǎng)將持續(xù)監(jiān)測地溫變化情況。系統(tǒng)后期運行應(yīng)加強系統(tǒng)管理，加大生活熱水使用量等從而防止產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)岫逊e，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行。

圖7 2013年系統(tǒng)供暖期地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 7 Geo-temperature monitoring data of the system in heating period of 2013

3.3 典型運行期變化規(guī)律分析

圖7為典型供暖期運行地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行造成不同深度巖土溫度呈現(xiàn)不同幅度的降低，由于受地表溫度和室外氣候的影響，淺層巖土溫度降低并不明顯，而深層巖土的溫度則主要受地下?lián)Q熱的影響，其降低值較大。運行期中下降溫差最大出現(xiàn)在90 m深度處，為3.87 ℃，不同深度溫度的變化規(guī)律均相同，平均溫差降為3.18 ℃，在系統(tǒng)供暖結(jié)束后，即3月5日之后，巖土溫度開始恢復(fù)，至4月6日已基本恢復(fù)，20～100 m深度范圍的平均地溫為19.96 ℃，相對原始地溫降僅為0.05 ℃。深層巖土溫度穩(wěn)定至系統(tǒng)運行前的水平，說明短時間(1個月)的系統(tǒng)運行對巖土溫度的瞬時影響比較明顯，但由于巖土自身的散熱能力，地溫恢復(fù)良好，利于地源熱泵的長期運行。

該地源熱泵系統(tǒng)在2013年冬季短暫的1個月供暖后進(jìn)入第2個供暖期，即11月至第2年的2月，如圖8。運行期中下降溫差最大依然出現(xiàn)在90 m深度處，為4.62 ℃，不同深度的平均溫差降為3.94 ℃，在系統(tǒng)供暖結(jié)束后，巖土溫度開始恢復(fù)，最終溫降為1.14 ℃。因為重慶地區(qū)存在的冷熱負(fù)荷不均問題，所以熱泵也會存在冷熱不均現(xiàn)象，解決此問題的關(guān)鍵在于冬季要充分利用夏季的蓄熱。

圖8 2014年系統(tǒng)供暖運行地溫變化Fig. 8 Geo-temperature monitoring data of the system in heating period of 2014

4 結(jié) 論

1) 建立重慶地區(qū)淺層地溫能監(jiān)測網(wǎng)，長期有效的監(jiān)測地源熱泵系統(tǒng)運行前后地溫場的變化，為地質(zhì)環(huán)境影響研究提供基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。

2) 地溫隨著地源熱泵系統(tǒng)的供暖期-過渡期-制冷期-過渡期-供暖期的運行而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，供暖期土壤溫度隨之降低，制冷期土壤溫度隨之升高，恢復(fù)期土壤溫度逐漸恢復(fù)。并且運行孔的土壤溫度變化幅度要比非運行孔的土壤溫度變化幅度大，受土壤換熱特性的影響，非運行孔土壤溫度變化具有延遲性，運行孔的地溫變化幅度明顯大于非運行孔，由于土壤換熱的影響，非運行孔的溫度最值有一定的延遲性，雖然深度不同的巖土層的溫度變化情況存在部分差異，但是整體變化趨勢一致，在100 m深度的非運行孔的地溫變化幅度非常小，幾乎保持不變。

3) 隨著系統(tǒng)的運行，土壤平均溫度呈上升趨勢，產(chǎn)生輕微熱堆積情況，但該系統(tǒng)運行狀況良好，地溫變化未對系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，監(jiān)測網(wǎng)將持續(xù)監(jiān)測地溫變化情況。系統(tǒng)后期運行應(yīng)加強系統(tǒng)管理，加大生活熱水使用量等從而防止產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)岫逊e，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行。因為重慶地區(qū)存在的冷熱負(fù)荷不均問題，所以熱泵也會存在冷熱不均現(xiàn)象，解決此問題的關(guān)鍵在于冬季要充分利用夏季的蓄熱。

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