地埋管地源熱泵換熱區原始地溫特征分析

■ 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取放熱量的背景條件，也是地源熱泵系統優化設計與運行評價的重要參數，因此，掌握其變化規律是非常必要的[1]。同時，由于地源熱泵系統運行將在一定程度上改變地層溫度場特征[2,3]，影響地質環境，通過監測地埋管地源熱泵系統換熱區原始地溫，為地源熱泵運行對地質環境影響研究提供背景數據，指導地源熱泵系統應用，對保護地質環境、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測，并與Baggs公式計算結果進行對比，試驗監測結果與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年的監測，認為0～3 m地層溫度變化與環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75 m以淺深度的土層原始地溫進行了為期1年的監測，并對實測數據進行歸納分析，以期為地埋管地源熱泵系統的優化設計及運行策略工作提供一定的參考依據。

1 原始地溫監測系統布設

1.1 原始地溫監測孔布設

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

1)原始地溫監測孔位于實驗場區內部，與埋管區地層條件相同；

2)原始地溫監測孔距埋管區有一定距離從而不受地源熱泵埋管區地溫波動影響。

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

圖1 原始地溫監測孔布設位置示意圖

1.2 原始地溫監測孔內監測點垂向布設

在監測孔內布設溫度傳感器，原始地溫監測孔內監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測點；

2)結合場地的地層特點，對各主要地層進行監測。

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

1.3 監測儀器

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：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。通常可分為變溫帶、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、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，對實驗場區連續1年的原始地溫監測數據進行整理分析，實驗場區地溫垂向分布帶明顯、規律性好。

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小；實驗場區恒溫帶深度約在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態導熱解。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

從監測結果可見，5 m以淺深度范圍內地溫受環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。

上海地區的空調系統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，不同區域存在較大差異，因此地源熱泵設計前需對場區原始地溫進行勘察，對實驗場區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，會出現季節性波動；實驗場區恒溫帶深度約在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, 地源熱泵系統工程技術規范[S].

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