■ 孫婉 周念清 高世軒 魏靜

(1. 同濟(jì)大學(xué)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(tǒng)取放熱量的背景條件，也是地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與運(yùn)行評價的重要參數(shù)，因此，掌握其變化規(guī)律是非常必要的[1]。同時，由于地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行將在一定程度上改變地層溫度場特征[2,3]，影響地質(zhì)環(huán)境，通過監(jiān)測地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱區(qū)原始地溫，為地源熱泵運(yùn)行對地質(zhì)環(huán)境影響研究提供背景數(shù)據(jù)，指導(dǎo)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用，對保護(hù)地質(zhì)環(huán)境、合理利用淺層地?zé)崮苜Y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(jìn)行了監(jiān)測，并與Baggs公式計算結(jié)果進(jìn)行對比，試驗監(jiān)測結(jié)果與Baggs公式計算結(jié)果吻合。國內(nèi)外也有很多學(xué)者通過建立模型對特定區(qū)域不同深度土層的原始地溫進(jìn)行了計算。Mihalakakou 等[5,6]通過利用神經(jīng)網(wǎng)及Haar 微波等理論方法對不同深度地層原始地溫進(jìn)行了估算 。Chowa[7]通過對0～3 m地層溫度進(jìn)行4年的監(jiān)測，認(rèn)為0～3 m地層溫度變化與環(huán)境的干球溫度有很大的相關(guān)性，并通過模型得出了兩者關(guān)系。王華軍等[8]在淺層土壤溫度分布理論模型的基礎(chǔ)上，計算分析了測試土壤初始溫度的季節(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，并且研究深度未能達(dá)到地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計深度，對實際工程設(shè)計及運(yùn)行的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。

因此，本文以上海市某別墅地源熱泵工程為例，對場區(qū)75 m以淺深度的土層原始地溫進(jìn)行了為期1年的監(jiān)測，并對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，以期為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運(yùn)行策略工作提供一定的參考依據(jù)。

1 原始地溫監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

1.1 原始地溫監(jiān)測孔布設(shè)

通過布設(shè)監(jiān)測孔對地源熱泵換熱區(qū)原始地溫進(jìn)行監(jiān)測，原始地溫監(jiān)測孔布設(shè)滿足兩個條件：

1)原始地溫監(jiān)測孔位于實驗場區(qū)內(nèi)部，與埋管區(qū)地層條件相同；

2)原始地溫監(jiān)測孔距埋管區(qū)有一定距離從而不受地源熱泵埋管區(qū)地溫波動影響。

因此，在實驗場區(qū)選定距離埋管區(qū)20 m處布設(shè)原始地溫監(jiān)測孔，原始地溫監(jiān)測孔布設(shè)位置見圖1。

圖1 原始地溫監(jiān)測孔布設(shè)位置示意圖

1.2 原始地溫監(jiān)測孔內(nèi)監(jiān)測點垂向布設(shè)

在監(jiān)測孔內(nèi)布設(shè)溫度傳感器，原始地溫監(jiān)測孔內(nèi)監(jiān)測點的垂向布設(shè)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(shè)監(jiān)測點；

2)結(jié)合場地的地層特點，對各主要地層進(jìn)行監(jiān)測。

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

1.3 監(jiān)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(dǎo)線：A級三線制屏蔽導(dǎo)線；

3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用遠(yuǎn)傳式LRL智能數(shù)字巡檢儀采集數(shù)據(jù)。

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(dāng)?shù)貧夂?、地層結(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀(jì)覆蓋層厚度、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素影響。通?？煞譃樽儨貛А⒑銣貛Ш驮鰷貛?。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(jié)、年份、世紀(jì)，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(qū)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(nèi)部的熱能。

掌握地溫場垂向分布特征對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)行策略的制定具有重要的指導(dǎo)意義。因此，對實驗場區(qū)連續(xù)1年的原始地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，實驗場區(qū)地溫垂向分布帶明顯、規(guī)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(qū)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??；實驗場區(qū)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(wěn)態(tài)導(dǎo)熱解。Baggs得出了一個簡化計算關(guān)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(shù)；Kv為植被系數(shù)；AS為年平均氣溫波幅；a為熱擴(kuò)散率；τ為時間；τ0為氣溫初相。

在沒有實測數(shù)據(jù)條件下，Baggs公式對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計具有較大的指導(dǎo)性。有學(xué)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(jié)合具體工程實測數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。

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(jié)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(tǒng)設(shè)計造成一定的影響。因此，工程設(shè)計中的原始地溫并非一成不變，而是具有季節(jié)效應(yīng)，這一點應(yīng)充分引起設(shè)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(jiān)測結(jié)果可見，5 m以淺深度范圍內(nèi)地溫受環(huán)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(chǎn)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(xiàn)在3月22日(第81天)；波峰溫度為22.30 ℃，出現(xiàn)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(xiàn)在6月5日(第155天)，比2 m深地溫波谷值出現(xiàn)時間滯后74天；波峰溫度為19.50 ℃，出現(xiàn)在12月6日(第340天)，比2 m深地溫波峰值出現(xiàn)時間滯后70天。

上海地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行時間一般為6月初到10月初，冬季運(yùn)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(chǎn)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(chǎn)生較大影響，因此建議淺部換熱器需加強(qiáng)換熱器保溫處理。

同時，為了在沒有實測數(shù)據(jù)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(jù)1年的監(jiān)測結(jié)果，對地溫曲線進(jìn)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(shù)；y為溫度。

5 m深處地溫變化曲線公式為：

4 結(jié)論

1)地層原始地溫由于受氣候、地質(zhì)條件等多因素影響，不同區(qū)域存在較大差異，因此地源熱泵設(shè)計前需對場區(qū)原始地溫進(jìn)行勘察，對實驗場區(qū)原始地溫垂向分布帶進(jìn)行劃分。

2)對實驗場原始地溫垂向分布帶進(jìn)行了劃分，實驗場區(qū)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(xiàn)季節(jié)性波動；實驗場區(qū)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(jié)的變化其變化趨勢具有一定差異，一般具有滯后性，工程設(shè)計中應(yīng)考慮原始地溫的季節(jié)效應(yīng)。

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(qiáng)換熱器保溫處理。

5)對2 m及5 m地溫曲線進(jìn)行了擬合，得出了計算公式，可供工程設(shè)計作為參考依據(jù)。

[1] GB 50366-2005, 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

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