嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵土壤溫度場(chǎng)變化特性研究

白莉 李楊

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵土壤溫度場(chǎng)變化特性研究

白莉 李楊

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

本文通過對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)某土壤源熱泵工程的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究其變化規(guī)律及影響因素。研究表明：土壤溫度場(chǎng)隨熱泵供熱/供冷交替運(yùn)行呈現(xiàn)周期性正弦規(guī)律變化；土壤溫度場(chǎng)受室外氣溫影響隨深度逐漸減弱，起測(cè)點(diǎn)-2.5m處最大，-10m后變化幅度趨于相同；過渡季節(jié)土壤溫度場(chǎng)自恢復(fù)能力非常有限，土壤源熱泵工程在冷熱負(fù)荷不均衡的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行不可避免出現(xiàn)熱失衡現(xiàn)象。

土壤源熱泵 實(shí)測(cè) 土壤溫度場(chǎng)

土壤源熱泵作為一種新能源已得到廣泛應(yīng)用，但由于冷熱負(fù)荷不均衡產(chǎn)生的土壤溫度場(chǎng)熱失衡問題一直是其發(fā)展的瓶頸。近年來國內(nèi)許多學(xué)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(jìn)行了模擬研究，研究表明，在冷熱負(fù)荷不平衡率為10%時(shí)，運(yùn)行5年后其土壤溫度呈總體上升趨勢(shì)，但對(duì)系統(tǒng)冬、夏換熱性能影響不大，而且土壤溫度在運(yùn)行的前3年溫升較大[1～3]。胡志高等人建立地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過-5m到-30m土壤溫度變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了夏熱冬冷的武漢地區(qū)土壤源熱泵運(yùn)行前后的地溫特性，得出了-30m土壤溫度變化基本穩(wěn)定，更有利于熱泵運(yùn)行的結(jié)論[4]。陸游等人對(duì)寒冷地區(qū)天津的某地源熱泵土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出吸熱與地溫的降低并不完全呈正相關(guān)性的結(jié)論[5]。王鵬軒和李姝睿對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了有補(bǔ)償和無補(bǔ)償兩種條件下的模擬研究[6～7]。程韌對(duì)土壤縱向溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果為：土壤縱向溫度振幅隨深度衰減，晝夜溫差的變化會(huì)進(jìn)入地下1m左右，季節(jié)溫度變化進(jìn)入-15m左右便會(huì)衰竭，-15m以下屬于恒溫帶[8]。上述研究通過模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，豐富了土壤溫度場(chǎng)傳熱理論，但從探求土壤源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行溫度場(chǎng)平衡狀況的角度出發(fā)，建立土壤源熱泵溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具意義。鑒此，本研究利用嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵示范工程，建立了一套土壤溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在研究嚴(yán)寒地區(qū)熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行條件下土壤溫度場(chǎng)變化規(guī)律及影響因素。

1　熱泵工程及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1土壤源熱泵工程介紹

選取長(zhǎng)春某大學(xué)教學(xué)館為土壤源熱泵（供熱/供冷）示范工程，總建筑面積為34882.24m2。設(shè)有一個(gè)中心熱泵機(jī)房，配置熱泵機(jī)組2臺(tái)，循環(huán)泵6臺(tái)；采用雙U型垂直埋管，設(shè)置深度為100m、直徑180mm的換熱井120個(gè)；綜合考慮實(shí)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(qū)井間距為5m，陣列布井區(qū)井間距分別設(shè)置為4m、5m、6m，換熱井布置示意圖如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查結(jié)果：0～8m為松散地層，主要以粘土和粉質(zhì)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(fēng)化及中風(fēng)化的泥巖和砂礫巖，屬于白堊系；49～92m為微風(fēng)化的泥巖和砂礫巖，屬于白堊系。根據(jù)土壤熱響應(yīng)測(cè)試，計(jì)算得到土壤綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)為2.573W/(m·K)，測(cè)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

為研究不同井間距土壤溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)變化情況，在陣列布井區(qū)按不同井間距分別設(shè)立4組監(jiān)測(cè)區(qū)域，在L型布井區(qū)設(shè)立1組監(jiān)測(cè)區(qū)域，5組監(jiān)測(cè)井分布示意圖如圖2所示。每組監(jiān)測(cè)井設(shè)置一個(gè)主監(jiān)測(cè)井和兩個(gè)輔監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)井布置詳圖如圖3所示。主監(jiān)測(cè)井深100m，共設(shè)置11個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中最淺層為2.5m，其它每間隔10m設(shè)置一個(gè)。2個(gè)輔監(jiān)測(cè)井深40m，分別設(shè)置在距主監(jiān)測(cè)井間距1m和2m的兩側(cè)，在深度為-10m至-40m范圍內(nèi)，每間隔10m設(shè)置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。監(jiān)測(cè)井溫度傳感器布置示意圖如圖4所示。主監(jiān)測(cè)井就是實(shí)際工程的換熱井，在施工時(shí)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(shí)下入到鉆鑿好的換熱井內(nèi)。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度，縱向上的土壤溫度場(chǎng)變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以掌握同一巖土層，橫向土壤溫度場(chǎng)變化，以及換熱井之間溫度場(chǎng)的相互影響。

圖2　監(jiān)測(cè)井布置示意圖

圖3　監(jiān)測(cè)井布置詳圖

圖4　監(jiān)測(cè)井溫度傳感器布置示意圖

2　土壤源熱泵工程監(jiān)測(cè)結(jié)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(yùn)行工況土壤溫度場(chǎng)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(chǎng)總體呈下降趨勢(shì)。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(xiàn)7研究結(jié)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(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；但隨監(jiān)測(cè)深度的增加（-10m以后），土壤溫度場(chǎng)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(wěn)定。

圖5淺表層土壤溫度場(chǎng)變化圖

圖6和圖7為-10m至-100m土壤溫度場(chǎng)變化情況。從圖中可以看出，熱泵運(yùn)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(fù)荷變化是完全一致的，12月份后至次年2月是嚴(yán)寒地區(qū)的最冷月份，供暖負(fù)荷最大；冬季初始與第二年春末，受氣候影響，供熱負(fù)荷減少，土壤溫度場(chǎng)變化緩慢。由此可見，土壤溫度場(chǎng)的變化直接受室外氣溫的影響，或者說供熱負(fù)荷是土壤溫度場(chǎng)變化的決定因素。

圖6　地下10m至50m土壤溫度場(chǎng)變化圖

圖7　地下50m至100m土壤溫度變化圖

觀察整個(gè)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(shí)期溫度下降的速率也不一致。研究這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，找不出這種變化幅度和速率與土壤換熱層深度的直接關(guān)系，分析其主要原因有兩方面：一是由于各層地質(zhì)條件差異導(dǎo)致的土壤傳熱性能不均衡，其換熱的熱擴(kuò)散響應(yīng)也存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致各層土壤溫度變化出現(xiàn)不同程度的延遲；另一方面，供暖熱負(fù)荷的瞬時(shí)波動(dòng)，以及水力失調(diào)也是導(dǎo)致各深度土壤溫度場(chǎng)變化幅度和變化速率呈現(xiàn)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(yùn)行向土壤中釋放熱量，所以土壤溫度場(chǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。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?lián)Q熱更加穩(wěn)定。由圖8、圖9可以明顯看出，7月30日后土壤溫度場(chǎng)上升速率增大，這與室外氣候特征有直接關(guān)系，供冷負(fù)荷的增大正相關(guān)影響土壤溫度場(chǎng)變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，各層溫度場(chǎng)變化幅度為0.21～0.75℃，可以看出，由于長(zhǎng)春屬于嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)于供冷量的需求相對(duì)較小，所以夏季運(yùn)行土壤溫度場(chǎng)變化幅度較小。這也說明冷熱負(fù)荷的不均衡會(huì)直接影響土壤溫度場(chǎng)的變化，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)冷堆積問題，進(jìn)而影響土壤源熱泵運(yùn)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(jié)土壤溫度場(chǎng)變化

圖10與圖11為夏-冬和冬-夏兩個(gè)過渡季節(jié)土壤溫度場(chǎng)變化情況。從圖10可以看出，2014年9月初供冷結(jié)束后，至2014年10月末轉(zhuǎn)換工況期間，土壤溫度場(chǎng)并沒有下降，而是仍然呈緩慢上升趨勢(shì)。由圖11可以看出2015年3月末供暖結(jié)束至2015年6月停機(jī)期間，土壤溫度仍保持緩慢下降趨勢(shì)。通過此現(xiàn)象可以看出，過渡季節(jié)土壤溫度變化對(duì)恢復(fù)土壤溫度場(chǎng)平衡并未明顯起到積極作用，這與當(dāng)?shù)囟嗌呈偎值牡刭|(zhì)條件有一定關(guān)系。受地質(zhì)條件限制，致使土壤溫度場(chǎng)響應(yīng)存在一定的滯后，使得土壤溫度場(chǎng)自恢復(fù)效果不明顯。由此可見，過渡季節(jié)土壤的自恢復(fù)能力有限，因此，土壤溫度場(chǎng)的平衡必須依靠供熱/供冷交替運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，土壤溫度場(chǎng)平衡的最佳條件是建筑冷熱負(fù)荷的平衡。

圖10　夏-冬土壤溫度場(chǎng)變化圖

圖11　冬-夏土壤溫度場(chǎng)變化圖

3　結(jié)論

1）隨著土壤源熱泵供熱/供冷工況的轉(zhuǎn)變，土壤溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出周期性的正弦規(guī)律變化，而變化幅度主要取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤熱物性參數(shù)及供熱/供冷負(fù)荷三方面因素。建議在土壤源熱泵的設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)中充分考慮當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境溫度及地質(zhì)條件和建筑物的負(fù)荷特征。

2）土壤溫度場(chǎng)在過渡季節(jié)的變化不大，說明土壤的熱擴(kuò)散能力非常微弱，而且對(duì)于熱擴(kuò)散的響應(yīng)存在延遲。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)不能依靠過渡季節(jié)土壤溫度場(chǎng)自恢復(fù)能力來實(shí)現(xiàn)土壤溫度場(chǎng)的平衡。

3）嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的地下冷堆積問題是一個(gè)長(zhǎng)期效應(yīng)，因此，建立土壤源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于掌握土壤溫度場(chǎng)變化規(guī)律及影響因素，對(duì)于制定全面合理的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方案具有積極指導(dǎo)作用，從而確保系統(tǒng)的長(zhǎng)久可靠性及節(jié)能。

[1]劉俊,張旭.大規(guī)模地源熱泵地溫恢復(fù)特性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010,(增刊2):93-96

[2]魏靜.上海地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)對(duì)地址環(huán)境熱影響的模擬分析[J].暖通空調(diào),2015,45(2):102-106

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[6]王鵬軒.嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題分析[D].長(zhǎng)春:吉林建筑大學(xué),2014

[7]李姝睿.嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地下土壤熱失衡問題分析[D].長(zhǎng)春:吉林建筑大學(xué),2015

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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(zhǎng)春市吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院（130118）；E-mail:baili0308@163.com

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAJ05B03）