地埋管換熱器地溫監(jiān)測系統(tǒng)補建實例及測試數(shù)據(jù)分析

姚木申 蔡蕓 盧寶 趙蘇民

摘要 針對天津市某地源熱泵項目補建了一套地溫監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了各監(jiān)測點溫度變化數(shù)據(jù)，并進行了全年變化規(guī)律分析。結果表明，地溫監(jiān)測線在增加保護套管后，其短期變化負荷作用下的溫度數(shù)值與換熱管壁相比存在一個相對固定的偏差，通過必要的數(shù)據(jù)修正，并不影響地溫監(jiān)測的可靠性。熱影響半徑與土壤熱物性和運行負荷強度密切相關，而本文運行條件下熱影響半徑在1～1.5 m之間。背景地溫監(jiān)測孔與換熱孔群外邊界的距離建議大于15 m，以減小孔群換熱對數(shù)據(jù)的干擾。

關 鍵 詞 地源熱泵;地溫監(jiān)測;熱影響半徑;背景地溫

中圖分類號 TU83? ? ?文獻標志碼 A

Abstract A ground temperature? monitoring system is reconstructed for a practical ground source heat pump system in Tianjin. Annual variations of ground te mperatures at different positions and depths are obtained and analyzed. Test results show that after adding protection tubes for? monitoring lines， their short-period temperatures under thermal loads obviously deviate from the temperatures at the pipe walls， but such a relatively fixed deviation does not affect the reliability of? monitoring ground temperatures after some necessary data? modification. Thermal influencing radius （TIR） of ground heat exchangers （GHEs） depends? mainly on the ther mal properties of surrounding soils and the intensity of operating loads， and the TIR ranges from 1 to 1.5 m under the present operating conditions. It is recommended that the distance between the? monitoring borehole of ground temperature and the outer boundary of heat exchange pipe groups should be greater than 15 m， in order to reduce the possible disturbance by the heat transfer of GHEs.

Key words ground source heat pump;? monitoring of ground temperature; thermal influencing radius; background ground temperature

近年來，隨著地源熱泵技術的迅猛發(fā)展，大量地源熱泵項目不斷投入運行，地源熱泵項目呈現(xiàn)規(guī)模大、數(shù)量多、分布廣等特點。但是，實際運行的地源熱泵項目是否節(jié)能，具體節(jié)能效果如何，地埋管換熱器周圍巖土體溫度分布變化究竟怎樣？這一系列問題都需要通過實測的運行數(shù)據(jù)來分析，而運行數(shù)據(jù)的獲取則需要良好的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來完成[1]。實際調研表明，由于建設成本、周期或其他方面等原因，許多地源熱泵項目初建時并未安裝動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其中還有一些地溫監(jiān)測傳感器及線纜由于長期處于潮濕、腐蝕環(huán)境而出現(xiàn)損壞，這給地源熱泵項目的運行管理帶來很大不便。為解決這些問題，需要對已投用的地源熱泵項目進行動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)補建或修復，以保證系統(tǒng)運行管理、節(jié)能評價、地質環(huán)境影響分析等工作需要。在地溫監(jiān)測系統(tǒng)建設與運行分析方面，前人開展了不少研究工作。例如，文獻[2-4]分別對不同氣候、不同地區(qū)、不同類型地源熱泵系統(tǒng)的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，得到了一些系統(tǒng)長期運行的地溫變化特征。本文擬以天津地區(qū)某建筑的地埋管地源熱泵為例，開展地溫監(jiān)測系統(tǒng)補建與測試數(shù)據(jù)分析，旨在為以后類似情形下的地源熱泵系統(tǒng)工程建設、運行評價與節(jié)能管理等工作提供一定的參考借鑒。

1 地溫監(jiān)測系統(tǒng)建設

1.1 基本概況

該地源熱泵項目位于天津市市區(qū)東北部，總建筑面積為934 m2。熱泵機組的總制冷量和總制熱量分別為99.0 kW和101.5 kW。地源側采用垂直地埋管換熱器，共計21組，其中不同深度，不同形式的地埋管共計11組，分別單獨進入分、集水器;另10組120 m雙U地埋管同程布置后共用一根供水管和一根回水管進分、集水器。由于地埋管施工時場地緊張，故10組120 m雙U及單獨連接的1組120 m單U和1組120? m雙U均布置于建筑基礎下，各管路均運行正常。

現(xiàn)場勘查以及地質資料表明[5]，該項目區(qū)域淺層地質條件穩(wěn)定，第四系地層沉積厚度約為300 m，巖性比較單一，主要包括粘土、粉質粘土、粉砂、細砂、粗砂互層等類型。

1.2 補建方案設計

由于原有地溫監(jiān)測線直接埋于地下，不能進行修復或更換，所以計劃重新補建換熱孔及地溫監(jiān)測孔。結合項目實際情況，若在原有監(jiān)測孔位置進行重新布線會存在問題：1）原有鉆孔具體位置不能精確確定，這將造成新建熱影響半徑監(jiān)測孔孔距不準確;2）鉆進施工中原有測線或PE管存在纏繞鉆頭的可能，造成施工困難。綜合以上兩點原因，最終選擇停車場區(qū)域（距熱泵機房40 m），重新補建兩組地埋管換熱器并與原有管路系統(tǒng)進行連接，并在該新建換熱孔周圍進行熱影響半徑監(jiān)測傳感器及線路布置。

2.3 背景地溫數(shù)據(jù)分析

淺層地溫場的垂向分布通?？煞譃?個區(qū)域：變溫層、恒溫層和增溫層。根據(jù)經(jīng)典熱傳導理論，若巖土層的平均熱擴散系數(shù)取0.6 × 10-6 m2/s，地溫日波動的影響深度為0.6 m，而年波動的影響深度可達10 m。因此，在此深度以下至恒溫層范圍內，地溫傳感器宜加密布置，以便較準確掌握變溫層、恒溫層和增溫層的分界位置;對于增溫層，由于第四系地層巖性的相對單一性且溫度分布波動不大，地溫傳感器間距可以適當增大，以減少監(jiān)測系統(tǒng)成本。

圖8給出了本例中背景地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)的典型變化曲線。結果表明，在0～12 m深度范圍內，地溫的季節(jié)性變化非常明顯;恒溫層范圍大致為30～58 m，地溫常年維持在14.3℃左右（高出當?shù)啬昶骄鶜鉁丶s2 ℃）;恒溫層以下，地溫基本呈線性增加趨勢，平均溫度梯度為2.33 ℃/100 m，其中100 m和150 m深度的地溫分別為15.4 ℃和16.5 ℃。

背景地溫監(jiān)測孔的深度宜略大于工程用地埋管換熱器的最大深度，同時還需考慮淺層地溫能的基本定義（200 m以淺）。此外，結合上述分析，考慮不同建筑負荷特征及巖土體熱物性參數(shù)等因素，背景地溫監(jiān)測孔應布置在地埋管換熱孔群邊緣一定距離，以避免管群換熱干擾背景地溫數(shù)據(jù)。按照2.2節(jié)恒定熱流的假定計算的熱作用半徑結果相比實際情況偏大，它僅僅反映了熱影響范圍的極限情況，從背景值監(jiān)測孔監(jiān)測意義及受孔群影響的可能性考慮，而將此值作為監(jiān)測孔間距的參考依據(jù)，并考慮不同地層巖性差異性，故上述距離不宜低于15 m。需要特別說明的是，全年冷熱負荷差異較大、地下水徑流較強等情況，還應結合具體工程情況來合理設計距離。

3 結論

1） 該補建的地溫監(jiān)測系統(tǒng)方案可行，對未進行地溫監(jiān)測線安裝或監(jiān)測線損壞不能直接修復的已建地源熱泵工程地溫監(jiān)測建設具有一定借鑒和指導意義。

2） 地溫監(jiān)測線外增加保護套管在短周期的變化負荷作用下的溫度數(shù)值相比換熱管壁存在一個相對穩(wěn)定的偏差，通過數(shù)據(jù)修正，并不影響地溫監(jiān)測的可靠性。

3）熱影響半徑與土壤熱物性、負荷強度、運行時間等有密切關系。隨著負荷持續(xù)，熱影響半徑不斷增大，離換熱器越遠，變化越緩慢和微弱。工程上進行孔間地溫監(jiān)測時應考慮測點位置溫度的疊加影響。

4）為減弱孔群換熱對背景值監(jiān)測的影響，監(jiān)測孔距離換熱孔群外邊界距離建議大于15 m為宜。

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