地埋管換熱器地溫監測系統補建實例及測試數據分析

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測系統，獲得了各監測點溫度變化數據，并進行了全年變化規律分析。結果表明，地溫監測線在增加保護套管后，其短期變化負荷作用下的溫度數值與換熱管壁相比存在一個相對固定的偏差，通過必要的數據修正，并不影響地溫監測的可靠性。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據的干擾。

關 鍵 詞 地源熱泵;地溫監測;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展，大量地源熱泵項目不斷投入運行，地源熱泵項目呈現規模大、數量多、分布廣等特點。但是，實際運行的地源熱泵項目是否節能，具體節能效果如何，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據來分析，而運行數據的獲取則需要良好的動態監測系統來完成[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監測系統，其中還有一些地溫監測傳感器及線纜由于長期處于潮濕、腐蝕環境而出現損壞，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監測系統補建或修復，以保證系統運行管理、節能評價、地質環境影響分析等工作需要。在地溫監測系統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、不同類型地源熱泵系統的地溫監測數據進行了分析，得到了一些系統長期運行的地溫變化特征。本文擬以天津地區某建筑的地埋管地源熱泵為例，開展地溫監測系統補建與測試數據分析，旨在為以后類似情形下的地源熱泵系統工程建設、運行評價與節能管理等工作提供一定的參考借鑒。

1 地溫監測系統建設

1.1 基本概況

該地源熱泵項目位于天津市市區東北部，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。

現場勘查以及地質資料表明[5]，該項目區域淺層地質條件穩定，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測孔。結合項目實際情況，若在原有監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進行連接，并在該新建換熱孔周圍進行熱影響半徑監測傳感器及線路布置。

2.3 背景地溫數據分析

淺層地溫場的垂向分布通?？煞譃?個區域：變溫層、恒溫層和增溫層。根據經典熱傳導理論，若巖土層的平均熱擴散系數取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，以減少監測系統成本。

圖8給出了本例中背景地溫監測數據的典型變化曲線。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（高出當地年平均氣溫約2 ℃）;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等因素，背景地溫監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據。按照2.2節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，從背景值監測孔監測意義及受孔群影響的可能性考慮，而將此值作為監測孔間距的參考依據，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） 該補建的地溫監測系統方案可行，對未進行地溫監測線安裝或監測線損壞不能直接修復的已建地源熱泵工程地溫監測建設具有一定借鑒和指導意義。

2） 地溫監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值相比換熱管壁存在一個相對穩定的偏差，通過數據修正，并不影響地溫監測的可靠性。

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，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測的影響，監測孔距離換熱孔群外邊界距離建議大于15 m為宜。

參考文獻：

[1]? ? 劉杰. 淺層地熱能開發利用地質環境影響與監測系統建設研究[J]. 山東國土資源，2018，34（1） ：49-55.

[2]? ? 蘇永強. 某辦公樓地源熱泵系統運行能效測試與經濟性分析[J]. 河北工業大學學報，2017，46（4）：69-74.

[3]? ? 黃堅，孫婉，屠越棟. 地埋管地源熱泵系統地溫監測技術試驗研究[J]. 制冷與空調，2018，18（1）：55-59.

[4]? ? 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.

[5]? ? 唐永香，李嫄嫄，俞礽安，等. 天津地區淺層地熱能賦存條件淺析及前景展望[J]. 地質調查與研究，2013，36（3）：213-220.

[6]? ? 閆俐君，張旭. 基于熱作用半徑的地埋管換熱器儲熱特性研究[J]. 制冷技術，2015，35（1）：1-5.

[7]? ? 王楠，楊小鳳，莊春龍，等. 單U形地埋管換熱特性及熱作用半徑數值分析[J]. 建筑節能，2017，45（3）：10-14.

[8]? ? 張正威，趙石嬈，李曉星. 豎直埋管換熱器熱響應半徑簡化計算方法[J]. 太陽能學報，2016，37（9）：2338-2343.

[9]? ? 楊衛波，施明恒，陳振乾. 基于解析法的地下巖土熱物性現場測試方法的探討[J]. 建筑科學，2009，25（8）：60-64.

[10]? 王美燕，張正威. 豎直地埋管換熱器熱作用半徑的估算方法[J]. 浙江大學學報（工學版），2013，47（12）：2153-2159.

[11]? 孫婉，周念清，黃堅，等. 地源熱泵系統運行換熱區內外地溫場變化特征分析[J]. 太陽能學報，2017，38（10）：2804-2810.