潘　俊　張宗禹　王灝瀚（沈陽(yáng)建筑大學(xué)　沈陽(yáng)　110168）

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沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫特征及其在水源熱泵規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

潘俊張宗禹王灝瀚
（沈陽(yáng)建筑大學(xué)沈陽(yáng)110168）

【摘要】為了解沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫分布規(guī)律，以便指導(dǎo)水源熱泵工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)城區(qū)88個(gè)地下水溫監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用空間變異克里金（Kriging）插值法繪制了城區(qū)不同季度地下水溫等值線圖，掌握了地下水溫空間分布特征，通過(guò)13個(gè)水源熱泵工程監(jiān)測(cè)井地下水溫監(jiān)測(cè)資料分析地下水溫影響因素和垂向分帶性，從而為掌握沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫變化規(guī)律，指導(dǎo)地下水源熱泵工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】沈陽(yáng)城區(qū)；地下水溫；水源熱泵；空間變異理論；水溫分帶

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：潘?。?962.09-）男，博士，教授，E-mail：hj_pj@sjzu.edu.cn

0　引言

地下水源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，其熱源來(lái)自于含水層中抽取的地下水，而地下水水溫是水源熱泵機(jī)組工作效率的制約因素[1]。地下水源熱泵工程抽取地下水經(jīng)過(guò)熱交換后回灌水的溫度發(fā)生了改變，不可避免的造成了建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)附近的地下水溫度場(chǎng)變化，因此地下水的溫度對(duì)建筑的冷熱負(fù)荷效果影響較大[2]。就目前有關(guān)地下水源熱泵方面研究多偏重水源熱泵適應(yīng)性、運(yùn)行方法以及能效分析的探討[3-8]，而有關(guān)地下水溫度分布規(guī)律及其在水源熱泵工程中應(yīng)用的研究較少。因此如何高效、合理地利用地下水溫，防止“熱貫通”或“短路”的現(xiàn)象發(fā)生，提高水源熱泵工程的效率，開(kāi)展地下水溫空間分布規(guī)律研究十分必要。

本文以沈陽(yáng)城區(qū)88個(gè)水溫監(jiān)測(cè)井不同季節(jié)的水溫監(jiān)測(cè)以及13個(gè)水源熱泵工程抽水井和回水井不同埋深水溫監(jiān)測(cè)為例，統(tǒng)計(jì)分析了沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫空間分布規(guī)律，劃分了沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫垂向分帶，從而為沈陽(yáng)市地源熱泵規(guī)劃建設(shè)和建設(shè)項(xiàng)目水源熱泵工程設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義[9]。

1　地下水溫各季節(jié)變化情況及平面分布規(guī)律

1.1城區(qū)不同區(qū)域地下水溫分布特征

本文依據(jù)沈陽(yáng)城區(qū)88個(gè)地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井2014年實(shí)測(cè)資料，采用空間變異理論[10]中的克里金（Kriging）插值法繪制了城區(qū)2014年四個(gè)季度的代表月份2月、5月、8月和11月地下水溫等值線圖。由圖可以看出，所選四個(gè)月份中沈陽(yáng)城區(qū)二環(huán)以內(nèi)以及渾南岸長(zhǎng)白地區(qū)地下水溫均維持在11-14℃。并且一環(huán)以內(nèi)中心城區(qū)以及長(zhǎng)白地區(qū)地下水溫高于12℃甚至達(dá)到14℃。城區(qū)內(nèi)二環(huán)至三環(huán)之間地下水溫較中心城區(qū)水溫低，為11℃。

1.2不同季節(jié)地下水溫分布規(guī)律

為分析沈陽(yáng)城區(qū)不同季節(jié)地下水溫分布規(guī)律，且考慮到2月和8月是地下水源熱泵工程供暖期和制冷期。故選取2月和8月地下水溫進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1-2。

圖1　沈陽(yáng)城區(qū)2月地下水溫分布Fig.1 Shenyang city February underground water temperature distribution

圖2　沈陽(yáng)城區(qū)8月地下水溫分布Fig.2 Shenyang city August underground water temperature distribution

由圖對(duì)比可知，8月份地下水溫高于12℃的范圍大于2月份地下水溫高于12℃的范圍。沿渾河左岸二環(huán)至三環(huán)之間區(qū)域內(nèi)，地下水溫也高于12℃。通過(guò)分析得知出現(xiàn)上述情況的原因主要是受城市熱島效應(yīng)[11]和渾河對(duì)地下水的影響。

2　地下水溫垂向分布規(guī)律

2.1地下水溫影響因素

通常情況下區(qū)域性氣溫對(duì)地下水溫度有一定影響，為了解沈陽(yáng)地區(qū)氣溫對(duì)地下水的影響范圍，本次選取了13個(gè)不同深度處地下水水溫監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)資料分析氣溫對(duì)地下水的影響深度，并與區(qū)域氣溫進(jìn)行對(duì)比分析?，F(xiàn)以成名地產(chǎn)監(jiān)測(cè)井為例進(jìn)行分析說(shuō)明，該監(jiān)測(cè)井共分6個(gè)深度來(lái)監(jiān)測(cè)地下水溫，分別為埋深15m、20m、25m、30m、35m、40m，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制采暖期后地下水溫變化曲線，見(jiàn)圖3。

圖3　成名地產(chǎn)不同深度處抽水井溫度變化曲線Fig.3 ChengMing Real estate Pumping wells curve of temperature change at different depth

由圖3可以看出，成名地產(chǎn)監(jiān)測(cè)井地下水溫度變化特點(diǎn)如下：

（1）15m、20m埋深處地下水溫在4月8日至10日及4月29日隨氣溫回升明顯且變化趨勢(shì)與氣溫變化趨勢(shì)同步。25m埋深處地下水溫也受氣溫變化影響，但變化幅度較小。

（2）埋深大于25米處水溫受區(qū)域氣溫影響較小，地下水溫基本保持不變。

同樣對(duì)比了13個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，有10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)溫度變化符合上述規(guī)律，表明沈陽(yáng)城區(qū)淺層地下水溫受氣溫影響較大，氣溫影響范圍在地表以下15m～20m。25m基本不受氣溫影響。

2.2地下水溫垂向分帶性分析

2014年4月8日各監(jiān)測(cè)井不同埋深處地下水溫變化數(shù)據(jù)，繪制成曲線，如圖4。

圖4　 4月8日各檢測(cè)點(diǎn)在不同埋深處水溫變化曲線Fig.4 The detection point’s curve of water temperature in different depth in April 8th

由圖4可以看出4月8日各檢測(cè)點(diǎn)處氣溫不同，其對(duì)地下水影響各不相同。在埋深25米以上地層中，曲線變化斜率較大，地下水溫度隨氣溫變化明顯，25m至35m地層中地下水溫度變化趨勢(shì)減小，而35m以下地層地下水溫度變化趨勢(shì)隨著埋深的增加逐漸變小至恒定。

因此可以推斷沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫度層可以劃分為三個(gè)水溫帶：埋深25m以上含水層中地下水的溫度隨氣溫變化明顯，屬于變溫帶；埋深25m 到35m間地下水溫度變化幅度小，基本處于恒定溫度狀態(tài)，屬于常溫帶；埋深40m的地下水溫比35m處水溫平均高0.3℃，即地下水溫度隨著地層的不斷加深而逐漸升高，將埋深40m的劃分為增溫帶。

3　地下水溫分布特征在水源熱泵工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1水源熱泵工程的換熱溫差選取

根據(jù)沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫分布規(guī)律，可以看出城區(qū)二環(huán)內(nèi)絕大部分地下水溫高于12.0℃，渾南的長(zhǎng)白地區(qū)地下水溫也高于12.0℃。這些地區(qū)地下水源熱泵機(jī)組換熱溫差可以考慮7K，二環(huán)至三環(huán)之間以及其它地區(qū)地下水溫10-11℃，地下水源熱泵機(jī)組換熱溫差不能超過(guò)5K。具體還應(yīng)根據(jù)場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件和布井條件來(lái)設(shè)計(jì)。

3.2水源熱泵工程取回水層選擇

水源熱泵系統(tǒng)要求比較穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)為了保證其運(yùn)行的高效性，根據(jù)上文所劃分地下水溫度垂向分帶性，沈陽(yáng)城區(qū)地下水源熱泵工程在設(shè)計(jì)取水層位時(shí)應(yīng)將抽水井取水深度設(shè)計(jì)在常溫帶或增溫帶內(nèi)，即水泵安裝深度應(yīng)低于地面以下25m，回灌層應(yīng)選擇在變溫層，以確保水源熱泵工程取水溫度的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以看出沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫在空間上是變化的，其特點(diǎn)是高于12℃的分布范圍集中在二環(huán)以內(nèi)以及長(zhǎng)白地區(qū)。城區(qū)地下水受城市熱島效應(yīng)影響。

（2）沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫垂向是分三個(gè)帶，受氣溫影響，埋深25m以上地下水溫處于變溫帶，埋深25m到35m間地下水溫處于常溫帶，埋深40m的地下水溫處于增溫帶。

（3）根據(jù)沈陽(yáng)城區(qū)地下水溫分布特征，可以指導(dǎo)地下水源熱泵工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化布井提高機(jī)組效率，根據(jù)地下水溫分區(qū)合理設(shè)計(jì)水源熱泵機(jī)組換熱溫差。

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Shenyang City Underground Water Temperature Characteristics and its
Application in Water Source Heat Pump in the Planning and Design

Pan Jun Zhang Zongyu Wang Haohan
( Shenyang JianzhuUniversity, Shenyang, 110168 )

【Abstract】In order to understand the distribution of underground water temperature in Shenyang City, and to guide the water source heat pump project planning and design. This paper through the statistical analysis of Shenyang City 88 groundwater temperature monitoring well data, drawn in different quarters of underground water temperature contour map by the spatial variability of Kriging interpolation method, mastered the characteristics of spatial distribution of underground water temperature, and also through the 13 underground water temperature of water source heat pump project monitoring wells in the analysis of monitoring data of underground water temperature and the influence factors of vertical zonality, thus to grasp the change rule of underground water in Shenyang City, and provide some guidance to guide the planning and design of underground water source heat pump project.

【Keywords】Shenyang City; Underground water temperature; Water source heat pump; The spatial variability theory; Water temperature zone

中圖分類號(hào)TU83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-065-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41072190）

收稿日期：2015-03-05