嚴寒地區土壤源熱泵土壤溫度場變化特性研究

白莉 李楊

吉林建筑大學市政與環境工程學院

嚴寒地區土壤源熱泵土壤溫度場變化特性研究

白莉 李楊

吉林建筑大學市政與環境工程學院

本文通過對長春地區某土壤源熱泵工程的土壤溫度場進行實時監測，研究其變化規律及影響因素。研究表明：土壤溫度場隨熱泵供熱/供冷交替運行呈現周期性正弦規律變化；土壤溫度場受室外氣溫影響隨深度逐漸減弱，起測點-2.5m處最大，-10m后變化幅度趨于相同；過渡季節土壤溫度場自恢復能力非常有限，土壤源熱泵工程在冷熱負荷不均衡的條件下長期運行不可避免出現熱失衡現象。

土壤源熱泵 實測 土壤溫度場

土壤源熱泵作為一種新能源已得到廣泛應用，但由于冷熱負荷不均衡產生的土壤溫度場熱失衡問題一直是其發展的瓶頸。近年來國內許多學者致力于此方面的研究。劉俊，魏靜等人以夏熱冬冷的上海為例進行了模擬研究，研究表明，在冷熱負荷不平衡率為10%時，運行5年后其土壤溫度呈總體上升趨勢，但對系統冬、夏換熱性能影響不大，而且土壤溫度在運行的前3年溫升較大[1～3]。胡志高等人建立地源熱泵實驗臺，通過-5m到-30m土壤溫度變化實驗數據分析了夏熱冬冷的武漢地區土壤源熱泵運行前后的地溫特性，得出了-30m土壤溫度變化基本穩定，更有利于熱泵運行的結論[4]。陸游等人對寒冷地區天津的某地源熱泵土壤溫度場進行監測，得出吸熱與地溫的降低并不完全呈正相關性的結論[5]。王鵬軒和李姝睿對嚴寒地區土壤源熱泵系統進行了有補償和無補償兩種條件下的模擬研究[6～7]。程韌對土壤縱向溫度場進行了研究，其研究結果為：土壤縱向溫度振幅隨深度衰減，晝夜溫差的變化會進入地下1m左右，季節溫度變化進入-15m左右便會衰竭，-15m以下屬于恒溫帶[8]。上述研究通過模擬和實驗的方法，豐富了土壤溫度場傳熱理論，但從探求土壤源熱泵長期運行溫度場平衡狀況的角度出發，建立土壤源熱泵溫度場實時監測系統更具意義。鑒此，本研究利用嚴寒地區土壤源熱泵示范工程，建立了一套土壤溫度場實時監測系統，旨在研究嚴寒地區熱泵長期運行條件下土壤溫度場變化規律及影響因素。

1　熱泵工程及監測系統簡介

1.1土壤源熱泵工程介紹

選取長春某大學教學館為土壤源熱泵（供熱/供冷）示范工程，總建筑面積為34882.24m2。設有一個中心熱泵機房，配置熱泵機組2臺，循環泵6臺；采用雙U型垂直埋管，設置深度為100m、直徑180mm的換熱井120個；綜合考慮實際布井位置條件及科研需要，換熱井群分L型和陣列式二種方式，L型布井區井間距為5m，陣列布井區井間距分別設置為4m、5m、6m，換熱井布置示意圖如圖1所示。根據現場地質勘查結果：0～8m為松散地層，主要以粘土和粉質粘土為主，屬于第四系；8～23m主要為粗砂和中粗砂，屬于第四系；23～49m為弱風化及中風化的泥巖和砂礫巖，屬于白堊系；49～92m為微風化的泥巖和砂礫巖，屬于白堊系。根據土壤熱響應測試，計算得到土壤綜合熱傳導系數為2.573W/(m·K)，測試條件下，每延米換熱量為25W/m。

圖1　換熱井布置示意圖

1.2監測系統介紹

為研究不同井間距土壤溫度場實時變化情況，在陣列布井區按不同井間距分別設立4組監測區域，在L型布井區設立1組監測區域，5組監測井分布示意圖如圖2所示。每組監測井設置一個主監測井和兩個輔監測井，監測井布置詳圖如圖3所示。主監測井深100m，共設置11個測溫點，其中最淺層為2.5m，其它每間隔10m設置一個。2個輔監測井深40m，分別設置在距主監測井間距1m和2m的兩側，在深度為-10m至-40m范圍內，每間隔10m設置1個測溫點。監測井溫度傳感器布置示意圖如圖4所示。主監測井就是實際工程的換熱井，在施工時將三線制PT1000溫度傳感器按間距要求固定在PE管上，與PE管同時下入到鉆鑿好的換熱井內。此監測系統既可實現對不同深度，縱向上的土壤溫度場變化情況的實時監測，同時也可以掌握同一巖土層，橫向土壤溫度場變化，以及換熱井之間溫度場的相互影響。

圖2　監測井布置示意圖

圖3　監測井布置詳圖

圖4　監測井溫度傳感器布置示意圖

2　土壤源熱泵工程監測結果與分析

2.1冬季工況

圖5至圖7為2014年10月～2015年3月土壤源熱泵冬季運行工況土壤溫度場變化情況。從圖中可以看出，由于冬季工況換熱器從土壤中取熱，土壤溫度場總體呈下降趨勢。圖5為-2.5m至-40m淺表層土壤溫度變化情況，從圖5可以看出，在-2.5m處地溫變化幅度最大，-10m之后各層溫度變化幅度逐漸減小，趨于一致，與文獻7研究結論基本一致。這是由于淺表層地溫受太陽輻射影響較大，在室外氣溫和土壤換熱的共同影響下，呈現明顯的下降趨勢；但隨監測深度的增加（-10m以后），土壤溫度場受室外氣溫的影響逐漸減小，土壤溫度變化僅取決于土壤換熱，趨于穩定。

圖5淺表層土壤溫度場變化圖

圖6和圖7為-10m至-100m土壤溫度場變化情況。從圖中可以看出，熱泵運行初期土壤溫度下降幅度較小，12月份后至次年2月期間土壤溫度下降速率增大，3月份至4月份土壤溫度下降速率又回緩。這種變化與土壤換熱負荷變化是完全一致的，12月份后至次年2月是嚴寒地區的最冷月份，供暖負荷最大；冬季初始與第二年春末，受氣候影響，供熱負荷減少，土壤溫度場變化緩慢。由此可見，土壤溫度場的變化直接受室外氣溫的影響，或者說供熱負荷是土壤溫度場變化的決定因素。

圖6　地下10m至50m土壤溫度場變化圖

圖7　地下50m至100m土壤溫度變化圖

觀察整個供暖期各層土壤溫度變化情況，可以看出：各層溫度均有不同程度的下降，下降幅度為0.44～1.32℃之間，其中地下40m變化幅度最小，地下10m變化幅度最大，每層相同時期溫度下降的速率也不一致。研究這些實測數據，找不出這種變化幅度和速率與土壤換熱層深度的直接關系，分析其主要原因有兩方面：一是由于各層地質條件差異導致的土壤傳熱性能不均衡，其換熱的熱擴散響應也存在差異，進而導致各層土壤溫度變化出現不同程度的延遲；另一方面，供暖熱負荷的瞬時波動，以及水力失調也是導致各深度土壤溫度場變化幅度和變化速率呈現不一致性的因素。

2.2夏季工況

圖8與圖9為2014年7月～9月夏季工況土壤溫度變化情況。從圖中可以看出，夏季運行向土壤中釋放熱量，所以土壤溫度場呈現上升趨勢。各層上升速率略有不同，-50m以上土壤溫度相差略大，-50m以下土壤溫度及變化速率基本相同，說明-50m以下換熱更加穩定。由圖8、圖9可以明顯看出，7月30日后土壤溫度場上升速率增大，這與室外氣候特征有直接關系，供冷負荷的增大正相關影響土壤溫度場變化。根據統計，各層溫度場變化幅度為0.21～0.75℃，可以看出，由于長春屬于嚴寒地區對于供冷量的需求相對較小，所以夏季運行土壤溫度場變化幅度較小。這也說明冷熱負荷的不均衡會直接影響土壤溫度場的變化，導致土壤出現冷堆積問題，進而影響土壤源熱泵運行效率。

圖8　夏季-10m至-50m土壤溫度變化圖

圖9　夏季-60m至-100m土壤溫度變化圖

2.3過渡季節土壤溫度場變化

圖10與圖11為夏-冬和冬-夏兩個過渡季節土壤溫度場變化情況。從圖10可以看出，2014年9月初供冷結束后，至2014年10月末轉換工況期間，土壤溫度場并沒有下降，而是仍然呈緩慢上升趨勢。由圖11可以看出2015年3月末供暖結束至2015年6月停機期間，土壤溫度仍保持緩慢下降趨勢。通過此現象可以看出，過渡季節土壤溫度變化對恢復土壤溫度場平衡并未明顯起到積極作用，這與當地多沙石少水分的地質條件有一定關系。受地質條件限制，致使土壤溫度場響應存在一定的滯后，使得土壤溫度場自恢復效果不明顯。由此可見，過渡季節土壤的自恢復能力有限，因此，土壤溫度場的平衡必須依靠供熱/供冷交替運行來實現，土壤溫度場平衡的最佳條件是建筑冷熱負荷的平衡。

圖10　夏-冬土壤溫度場變化圖

圖11　冬-夏土壤溫度場變化圖

3　結論

1）隨著土壤源熱泵供熱/供冷工況的轉變，土壤溫度場呈現出周期性的正弦規律變化，而變化幅度主要取決于當地氣候條件、土壤熱物性參數及供熱/供冷負荷三方面因素。建議在土壤源熱泵的設計及運行調節中充分考慮當地氣候環境溫度及地質條件和建筑物的負荷特征。

2）土壤溫度場在過渡季節的變化不大，說明土壤的熱擴散能力非常微弱，而且對于熱擴散的響應存在延遲。因此，在嚴寒地區不能依靠過渡季節土壤溫度場自恢復能力來實現土壤溫度場的平衡。

3）嚴寒地區土壤源熱泵系統的地下冷堆積問題是一個長期效應，因此，建立土壤源熱泵監測系統有利于掌握土壤溫度場變化規律及影響因素，對于制定全面合理的系統運行調控方案具有積極指導作用，從而確保系統的長久可靠性及節能。

[1]劉俊,張旭.大規模地源熱泵地溫恢復特性研究[J].鐵道標準設計,2010,(增刊2):93-96

[2]魏靜.上海地區地源熱泵系統對地址環境熱影響的模擬分析[J].暖通空調,2015,45(2):102-106

[3]王晨,劉金祥.地源熱泵地熱響應測試影響因素分析[J].建筑熱能通風空調,2014,33(2):49-52

[4]胡志高,袁旭東.土壤源熱泵運行前后地溫特性實驗研究[J].制冷與空調,2007,7(2):52-54

[5]陸游,王恩宇,楊久順.地源熱泵系統土壤溫度變化的影響因素分析[J].河北工業大學學報,2015,44(1):66-72

[6]王鵬軒.嚴寒地區土壤源熱泵系統熱平衡問題分析[D].長春:吉林建筑大學,2014

[7]李姝睿.嚴寒地區土壤源熱泵系統地下土壤熱失衡問題分析[D].長春:吉林建筑大學,2015

[8]程韌.淺層地能（熱）的開發與利用[EB].http://www.chinagb.net /200801/20080131110159876.pdf,2008

[9]王華軍,楊立新,顧吉浩.地源熱泵系統運行中土壤溫度場變化特性的實例分析[J].暖通空調,2011,41(7):119-122

[10]魏靜,高世軒,孫婉.上海地區地源熱泵工程地溫場特征實驗研究[J].暖通空調,2015,45(6):41-46

[11]徐貴來,劉紅衛,張晴.地下水源熱泵系統運行期間巖土層溫度變化規律研究[J].資源環境與工程,2010,24(2):180-184

[12]王小清,王萬忠.地埋管地源熱泵系統運行期地溫監測與分析[J].上海國土資源,2013,34(2):76-79

Study on Soil Temperature Field Variation of Ground Source Heat Pump Project in Extreme Cold Area

BAI li,LI Yang
School of Environmental Engineering,Jilin Jianzhu University

Based on the real-time monitoring of soil temperature field of a soil source heat pump project in Changchun, the variation law of soil temperature field and its influencing factors was researched.It shows that:the soil temperature field with the heat pump heating/cooling alternate operation present a periodic variation.The affect of outdoor temperature on the soil temperature field gradually weakened with the increase of the depth,and the biggest change appears at-2.5(the beginning measure point)and after-10m the change tend to be the same.In transition season soil self-recovery capability is very limited,and ground source heat pump system under the condition of cold and hot load imbalance to run for a long time inevitable emergence of thermal imbalance phenomenon.

ground source heat pump,actual measurement,soil temperature field

1003-0344（2015）06-019-4

2014-9-14

白莉（1964～），女，博士，教授；吉林省長春市吉林建筑大學市政與環境工程學院（130118）；E-mail:baili0308@163.com

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAJ05B03）