姚木申 蔡蕓 盧寶 趙蘇民

摘要 針對(duì)天津市某地源熱泵項(xiàng)目補(bǔ)建了一套地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了全年變化規(guī)律分析。結(jié)果表明，地溫監(jiān)測(cè)線在增加保護(hù)套管后，其短期變化負(fù)荷作用下的溫度數(shù)值與換熱管壁相比存在一個(gè)相對(duì)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(cè)的可靠性。熱影響半徑與土壤熱物性和運(yùn)行負(fù)荷強(qiáng)度密切相關(guān)，而本文運(yùn)行條件下熱影響半徑在1～1.5 m之間。背景地溫監(jiān)測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)的干擾。

關(guān) 鍵 詞 地源熱泵;地溫監(jiān)測(cè);熱影響半徑;背景地溫

中圖分類號(hào) TU83? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的迅猛發(fā)展，大量地源熱泵項(xiàng)目不斷投入運(yùn)行，地源熱泵項(xiàng)目呈現(xiàn)規(guī)模大、數(shù)量多、分布廣等特點(diǎn)。但是，實(shí)際運(yùn)行的地源熱泵項(xiàng)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(shí)測(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)來分析，而運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取則需要良好的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來完成[1]。實(shí)際調(diào)研表明，由于建設(shè)成本、周期或其他方面等原因，許多地源熱泵項(xiàng)目初建時(shí)并未安裝動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中還有一些地溫監(jiān)測(cè)傳感器及線纜由于長(zhǎng)期處于潮濕、腐蝕環(huán)境而出現(xiàn)損壞，這給地源熱泵項(xiàng)目的運(yùn)行管理帶來很大不便。為解決這些問題，需要對(duì)已投用的地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)補(bǔ)建或修復(fù)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行管理、節(jié)能評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境影響分析等工作需要。在地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行分析方面，前人開展了不少研究工作。例如，文獻(xiàn)[2-4]分別對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了一些系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)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(cè)系統(tǒng)補(bǔ)建與測(cè)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(shè)、運(yùn)行評(píng)價(jià)與節(jié)能管理等工作提供一定的參考借鑒。

1 地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

1.1 基本概況

該地源熱泵項(xiàng)目位于天津市市區(qū)東北部，總建筑面積為934 m2。熱泵機(jī)組的總制冷量和總制熱量分別為99.0 kW和101.5 kW。地源側(cè)采用垂直地埋管換熱器，共計(jì)21組，其中不同深度，不同形式的地埋管共計(jì)11組，分別單獨(dú)進(jìn)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(jìn)分、集水器。由于地埋管施工時(shí)場(chǎng)地緊張，故10組120 m雙U及單獨(dú)連接的1組120 m單U和1組120? m雙U均布置于建筑基礎(chǔ)下，各管路均運(yùn)行正常。

現(xiàn)場(chǎng)勘查以及地質(zhì)資料表明[5]，該項(xiàng)目區(qū)域淺層地質(zhì)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(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、粗砂互層等類型。

1.2 補(bǔ)建方案設(shè)計(jì)

由于原有地溫監(jiān)測(cè)線直接埋于地下，不能進(jìn)行修復(fù)或更換，所以計(jì)劃重新補(bǔ)建換熱孔及地溫監(jiān)測(cè)孔。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，若在原有監(jiān)測(cè)孔位置進(jìn)行重新布線會(huì)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(cè)孔孔距不準(zhǔn)確;2）鉆進(jìn)施工中原有測(cè)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(diǎn)原因，最終選擇停車場(chǎng)區(qū)域（距熱泵機(jī)房40 m），重新補(bǔ)建兩組地埋管換熱器并與原有管路系統(tǒng)進(jìn)行連接，并在該新建換熱孔周圍進(jìn)行熱影響半徑監(jiān)測(cè)傳感器及線路布置。

2.3 背景地溫?cái)?shù)據(jù)分析

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

圖8給出了本例中背景地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的典型變化曲線。結(jié)果表明，在0～12 m深度范圍內(nèi)，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(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶s2 ℃）;恒溫層以下，地溫基本呈線性增加趨勢(shì)，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(cè)孔的深度宜略大于工程用地埋管換熱器的最大深度，同時(shí)還需考慮淺層地溫能的基本定義（200 m以淺）。此外，結(jié)合上述分析，考慮不同建筑負(fù)荷特征及巖土體熱物性參數(shù)等因素，背景地溫監(jiān)測(cè)孔應(yīng)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?cái)?shù)據(jù)。按照2.2節(jié)恒定熱流的假定計(jì)算的熱作用半徑結(jié)果相比實(shí)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(cè)孔監(jiān)測(cè)意義及受孔群影響的可能性考慮，而將此值作為監(jiān)測(cè)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(fù)荷差異較大、地下水徑流較強(qiáng)等情況，還應(yīng)結(jié)合具體工程情況來合理設(shè)計(jì)距離。

3 結(jié)論

1） 該補(bǔ)建的地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案可行，對(duì)未進(jìn)行地溫監(jiān)測(cè)線安裝或監(jiān)測(cè)線損壞不能直接修復(fù)的已建地源熱泵工程地溫監(jiān)測(cè)建設(shè)具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

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

3）熱影響半徑與土壤熱物性、負(fù)荷強(qiáng)度、運(yùn)行時(shí)間等有密切關(guān)系。隨著負(fù)荷持續(xù)，熱影響半徑不斷增大，離換熱器越遠(yuǎn)，變化越緩慢和微弱。工程上進(jìn)行孔間地溫監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)考慮測(cè)點(diǎn)位置溫度的疊加影響。

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

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