楊露梅，鄂 建，朱明君，陳明珠，魏永耀

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210018)

典型地埋管系統(tǒng)模擬工況地溫場(chǎng)特征研究

楊露梅1,2，鄂 建1,2，朱明君1,2，陳明珠1,2，魏永耀1,2

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210018)

地埋管熱泵是開發(fā)利用淺層地溫能的一種方式，土壤溫度場(chǎng)在地源熱泵運(yùn)行前后的分布情況，是地埋管熱泵計(jì)中考慮的重要因素。文章在南京典型地埋管熱泵工程布設(shè)監(jiān)測(cè)孔，分別在能源樁和距離能源樁1.2 m、2.1 m、3 m處不同層位埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，分析地溫場(chǎng)的時(shí)空演變規(guī)律，得到熱量的傳遞情況和溫度的變化規(guī)律，并采用多元回歸分析方法擬合地溫場(chǎng)的變化方程，得到了能源樁地溫隨時(shí)間和深度的變化方程以及地溫隨時(shí)間和距離的變化方程。結(jié)果顯示，隨著距能源樁水平距離的增加，溫度變化減小；隨著深度的增加，土壤溫度的影響范圍減小，熱量傳遞速率逐漸降低。

地埋管熱泵；地溫場(chǎng)；多元回歸

地埋管熱泵是開發(fā)利用淺層地溫能的一種方式，是利用巖土中儲(chǔ)存的能量作為冷熱源的一項(xiàng)熱泵技術(shù)。它通過(guò)循環(huán)液在封閉的地下埋管中流動(dòng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱[1]。地埋管熱泵工程中，土壤溫度場(chǎng)分布狀況十分重要，只有充分了解土壤溫度場(chǎng)在地源熱泵運(yùn)行前后的分布情況，才有可能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的地下埋管換熱器、埋管形式、埋管間距、數(shù)量以及布局[2]。地源熱泵系統(tǒng)地溫場(chǎng)研究多采用數(shù)值分析方法，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)偏少，由于數(shù)值模型的局限性及隨機(jī)因素影響，結(jié)果存在誤差[3～6]。本文在實(shí)際地埋管熱泵工程布設(shè)監(jiān)測(cè)孔，選取不同的監(jiān)測(cè)距離和監(jiān)測(cè)層位，分析地溫場(chǎng)的時(shí)空演變規(guī)律，同時(shí)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多元回歸分析方法擬合地溫場(chǎng)的變化方程，為地埋管的設(shè)計(jì)和工程研究提供科學(xué)依據(jù)[7]。

1 典型地埋管系統(tǒng)模擬工況基本情況

典型地埋管熱泵工程分布于南京長(zhǎng)江沖積平原地貌單元，場(chǎng)地潛水穩(wěn)定水位埋深1.31～4.55 m，初見水位埋深1.03～2.15 m。能源樁為某地塊中3號(hào)樓的抗拔樁，是混凝土灌注樁，樁頂埋深14 m，樁長(zhǎng)44 m，直徑1 m[8]。該樁2012年3月初施工，樁內(nèi)埋設(shè)的是3U型HDPE換熱管，并且已埋設(shè)PT100溫度傳感器。為了監(jiān)測(cè)能源樁運(yùn)行時(shí)溫度場(chǎng)的變化特征，布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別是1#孔、2#孔和3#孔，與能源樁的距離分別為1.2 m、2.1 m、3 m。監(jiān)測(cè)孔內(nèi)傳感器布置的原則是：每個(gè)地層交界面布置一個(gè)溫度傳感器，大于10 m的地層中間補(bǔ)充一個(gè)溫度傳感器。按照這個(gè)原則，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔布置PT100溫度傳感器情況詳見圖1，各地層的熱物性參數(shù)見表1。

圖1 監(jiān)測(cè)孔及傳感器布設(shè)圖Fig.1 Observation wells and the layout of temperature sensors

巖土名稱平均含水率/%密度/(g·cm-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)比熱/(J·g-1·K-1)導(dǎo)溫系數(shù)/(m2·s-1)雜填土27.61.860.561.622.43淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土37.81.81.711.896.48粉質(zhì)黏土29.82.11.721.715.98粉細(xì)砂19.91.981.821.438.32

能源樁地源熱泵從2013年1月6日開始進(jìn)行恒定溫度的連續(xù)熱響應(yīng)試驗(yàn)，進(jìn)水溫度恒定在40 ℃，進(jìn)水口流量為1.2～1.3 m3/h，運(yùn)行至2013年3月，但2月7日后熱響應(yīng)儀器及加熱器均出現(xiàn)問(wèn)題，因此取1月6日—2月7日的數(shù)據(jù)。傳感器埋設(shè)后，在運(yùn)行過(guò)程中有小部分傳感器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)孔一些深度無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。具體是2#監(jiān)測(cè)孔深29.5 m處無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，3#監(jiān)測(cè)孔深15.5 m處無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 地溫場(chǎng)時(shí)空變化特征分析

2.1 不同深度能源樁及監(jiān)測(cè)孔溫度變化特征

選擇2013年1月6日—2月7日共33天，能源樁及1#、2#、3#監(jiān)測(cè)孔各深度每天整點(diǎn)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全面反映熱泵模擬工況運(yùn)行各深度土壤溫度橫向變化。

從圖2可以看出，通過(guò)模擬工況一個(gè)月的運(yùn)行，能源樁各深度土壤溫度一直處于上升趨勢(shì)，前6天上升速度較快，從1月12日開始趨于平緩；升幅都較大，在11～17 ℃之間。其中深15.5 m處升幅最大，深36.5 m處升幅最小。

1#監(jiān)測(cè)孔自模擬工況開始運(yùn)行后，溫度處于緩慢上升中，升幅在1.5～4.8 ℃之間，其中深15.5 m處升幅最大，深42.5 m處升幅最小。

與1#監(jiān)測(cè)孔相比，2#監(jiān)測(cè)孔溫度上升的幅度稍小一些，升幅在0.4～2.2 ℃之間，其中深15.5 m處升幅最大，深42.5 m處升幅最小。

3#監(jiān)測(cè)孔溫度一直在18.7～19.4 ℃區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。1月6日～1月23日，3#監(jiān)測(cè)孔42.5 m處溫度均值基本無(wú)變化，大約為19 ℃；而自1月24日開始，3#監(jiān)測(cè)孔的42.5 m處溫度均值就處于19.2 ℃，至2月7日，溫度均值大約為19.4 ℃。與此處原始地溫相比，上升了約0.4～0.6 ℃。因此，模擬工況系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月，對(duì)距離3 m左右的土壤溫度只產(chǎn)生了較微弱的影響。

從3個(gè)監(jiān)測(cè)孔溫度曲線對(duì)比可以得出，模擬工況熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月，對(duì)距離能源樁3 m以內(nèi)的土壤產(chǎn)生了一定的影響，距離能源樁越近土壤溫度產(chǎn)生的變化越快，距離能源樁越遠(yuǎn)土壤溫度產(chǎn)生的影響越小，而對(duì)距離3 m以外的土壤溫度產(chǎn)生的影響較微弱。

2.2 隨時(shí)間推移不同監(jiān)測(cè)孔土壤溫度變化特征

圖2 模擬工況一個(gè)月后能源樁及監(jiān)測(cè)孔不同深度溫度變化Fig.2 The ground temperature variation of the bored concrete pile and observation wells at different depth of after 1 month simulated conditions

選擇模擬工況熱泵開始運(yùn)行至結(jié)束每隔5天所有深度的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從宏觀上分析土壤溫度在橫向及縱向的變化情況。

從圖3可以看出，夏季模擬工況自運(yùn)行開始至結(jié)束，能源樁監(jiān)測(cè)孔的溫度出現(xiàn)了很大的波動(dòng)。從運(yùn)行開始，能源樁各深度管壁周圍土壤溫度急劇升高，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，各深度的溫度也一直處于升高的趨勢(shì)。通過(guò)一個(gè)月的運(yùn)行，能源樁各深度溫度大部分上升了11～17 ℃。

表2 能源樁溫度分布情況

圖3 模擬工況運(yùn)行期間能源樁周圍土壤溫度隨深度變化Fig.3 The ground temperature variation of the bored concrete pile during the period of simulated conditions

從圖4可以看出，夏季模擬工況自運(yùn)行開始至結(jié)束，1#監(jiān)測(cè)孔的溫度出現(xiàn)了一些波動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，1#監(jiān)測(cè)孔各深度土壤溫度都在逐漸增加。通過(guò)一個(gè)月的模擬運(yùn)行，1#監(jiān)測(cè)孔各深度溫度上升了1.5～4.8 ℃，隨著深度的增加，溫度的增加減小。

從圖5可以看出，夏季模擬工況自運(yùn)行開始至結(jié)束，2#監(jiān)測(cè)孔的溫度也出現(xiàn)了一些波動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，2#監(jiān)測(cè)孔各深度土壤溫度都在逐漸增加。通過(guò)一個(gè)月的模擬運(yùn)行，2#監(jiān)測(cè)孔各深度溫度上升了0.4～2.2 ℃，且隨著深度的增加，溫度的增加減小。

表3 1#監(jiān)測(cè)孔溫度分布情況

圖4 模擬工況運(yùn)行期間1#監(jiān)測(cè)孔土壤溫度變化Fig.4 The ground temperature variation of the observation well 1 during the period of simulated conditions

從圖6可以看出，夏季模擬工況自運(yùn)行開始至結(jié)束，3#監(jiān)測(cè)孔的溫度只出現(xiàn)了較小的波動(dòng)，而且隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，3#監(jiān)測(cè)孔各深度土壤溫度也都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，只是土壤溫度增加值較小。通過(guò)一個(gè)月的模擬運(yùn)行，3#監(jiān)測(cè)孔各深度溫度上升了0.4～0.6 ℃，由于溫度升高較小，所以在深度方向上的溫度升高趨勢(shì)不明顯。

表4 2#監(jiān)測(cè)孔溫度分布情況

圖5 模擬工況運(yùn)行期間2#監(jiān)測(cè)孔土壤溫度變化Fig.5 The ground temperature variation of the observation well 2 during the period of simulated conditions

深度/m1222.529.536.542.5原始地溫/℃19.1518.8319.4918.7318.951月6日地溫/℃18.9419.0119.5918.8318.921月10日地溫/℃19.0719.0619.5418.8118.971月15日地溫/℃19.0719.2919.6418.8919.181月20日地溫/℃19.2319.4219.8719.1719.051月25日地溫/℃19.2819.3719.8219.0919.231月30日地溫/℃19.3619.7320.1519.5819.182月7日地溫/℃19.5119.4219.9519.2719.38

圖6 模擬工況運(yùn)行期間3#監(jiān)測(cè)孔土壤溫度變化Fig.6 Ground temperature variation of the observation well 3 during the period of simulated conditions

根據(jù)圖2～6各監(jiān)測(cè)孔土壤溫度變化圖，繪制ΔT=0熱量傳遞及溫度變化邊界圖(圖7)，可以得出隨時(shí)間推移不同深度土壤溫度的影響范圍。

從圖7可以看出，模擬工況運(yùn)行之后，在深15.5 m處熱量傳遞速度最快，42.5 m處熱量傳遞速度最慢；系統(tǒng)運(yùn)行20 d，深15.5 m處熱影響范圍到3 m，深42.5 m處熱影響范圍到1.8 m。從圖上可以很直觀地看出，隨著深度的增加，地下土壤溫度的影響范圍減小，熱量傳遞速率逐漸降低。

圖7 ΔT=0熱量傳遞及溫度變化邊界Fig.7 The boundaries of heat transfer and ground temperature variation when ΔT=0

從圖7還可以看出，各監(jiān)測(cè)孔的溫度傳感器主要埋設(shè)在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂土層中及各土層分界處。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(導(dǎo)熱系數(shù)為1.71 W/(m·K)，比熱為1.89 J/(g·K)，導(dǎo)溫系數(shù)為6.48 m2/s)與粉質(zhì)黏土層(導(dǎo)熱系數(shù)為1.72 W/(m·K)，比熱為1.71 J/(g·K)，導(dǎo)溫系數(shù)為5.98 m2/s)相比導(dǎo)熱系數(shù)基本相同，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土導(dǎo)溫系數(shù)較大，所以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土熱量傳遞速度快，影響范圍大；粉細(xì)砂層(導(dǎo)熱系數(shù)為1.84 W/(m·K)，比熱為1.44 J/(g·K)，導(dǎo)溫系數(shù)為8.39 m2/s)與粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層相比導(dǎo)熱系數(shù)最大、導(dǎo)溫系數(shù)最大、比熱最小，理論上粉細(xì)砂層熱量傳遞速度最快，影響范圍最大，但從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，粉細(xì)砂層熱量傳遞速度最慢，影響范圍也最小，這可能是因?yàn)樵搶訛槟茉礃兜牡撞?，樁埋管換熱性能好，熱量在樁內(nèi)傳遞快，而樁外的土壤導(dǎo)熱性相對(duì)樁埋管較差，能量傳遞慢，故而導(dǎo)致熱量堆積[9～11]。

為直觀反映夏季模擬工況結(jié)束時(shí)各深度與原始土壤溫度的溫差特征，利用能源樁及1#、2#、3#監(jiān)測(cè)孔深15.5～42.5 m的土壤溫差數(shù)據(jù)，建立溫差等值線圖(圖8)。

圖8 夏季工況結(jié)束時(shí)土壤溫差等值線圖Fig.8 The contour lines of the ground temperature difference at the end of the summer operational condition

從圖上可以看出：(1)能源樁附近的土壤溫度上升得最高，且呈隨著距能源樁水平距離的增加，溫度變化減小的規(guī)律；(2)以土壤溫度上升1 ℃為界，夏季模擬工況運(yùn)行一個(gè)月，在深15.5 m處，對(duì)土壤溫度的影響范圍為2.5 m；在深36～42.5 m處，對(duì)土壤溫度的影響范圍為1.4 m；所以在深15.5～42.5 m水平距離0.5～3 m范圍內(nèi)，呈現(xiàn)隨著深度的增加溫差逐漸縮小的規(guī)律。

總地來(lái)看，土壤溫度的變化呈現(xiàn)一個(gè)漏斗形狀，隨著距能源樁水平距離的增加，溫度變化減??；隨著深度的增加，土壤溫度影響范圍減小。

3 地溫場(chǎng)變化的多元回歸分析

從以上的分析可以得到，地溫在垂向上的變化主要受時(shí)間、深度及巖性的影響，平面上的變化主要受時(shí)間及與能源樁的距離的影響。垂向上選擇時(shí)間t和深度s作為自變量，采用多元回歸分析模擬能源樁地溫T1的變化情況；平面上選擇時(shí)間t及與能源樁的距離t作為自變量，采用多元回歸分析模擬22.5 m深度地溫T2在平面上的變化情況。采用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，得到：

(1)

(2)

式中：T1——能源樁地溫/℃；t——時(shí)間/h；s——深度/m；T2——22.5 m深度地溫/℃；x——與能源樁的距離/m。

式(1)和(2)的方差分析數(shù)值見表6，顯然回歸方程是顯著的。

由圖9～10可以看出，能源樁29.5 m深度地溫實(shí)測(cè)值和擬合值比較吻合，同樣2.1 m處2#監(jiān)測(cè)孔22.5 m深度地溫實(shí)測(cè)值和擬合值也比較吻合。觀察折線圖，通過(guò)對(duì)比可檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕鶖M合的回歸式(1)和(2)基本合理可靠。南京夏季工況時(shí)間一般為

表6 方差分析數(shù)值表

圖9 地溫實(shí)測(cè)值和擬合值對(duì)比Fig.9 Comparison of the measured value andfitted value at the depth of 29.5 of the bored concrete pile and 22.5 m of the observation well 2

120 d，按照式(1)，可以得到夏季工況結(jié)束時(shí)，能源樁29.5 m深度溫度為37.80 ℃。

4 結(jié)論

(1)模擬工況熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月，對(duì)距離能源樁3 m以內(nèi)的土壤產(chǎn)生了一定的影響，能源樁溫度最大升幅達(dá)到17 ℃，而距離能源樁3 m處溫度最大升幅為0.6 ℃，距離能源樁越近土壤溫度產(chǎn)生的變化越快，距離能源樁越遠(yuǎn)土壤溫度產(chǎn)生的影響越小，而對(duì)距離3 m以外的土壤溫度產(chǎn)生的影響較微弱，在埋管設(shè)計(jì)中選擇埋管間距大于3 m，埋管間的熱影響較小。

(2)土壤溫度的變化呈現(xiàn)漏斗狀，隨著距能源樁水平距離的增加，溫度變化減??；隨著深度的增加，地下土壤溫度的影響范圍減小，熱量傳遞速率逐漸降低。

(3)采用SPSS對(duì)地溫隨時(shí)間和深度的變化，以及地溫隨時(shí)間和與能源樁距離的變化進(jìn)行多元回歸，得到能源樁地溫?cái)M合方程和22.5 m深度地溫?cái)M合方程。

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Characteristics of the ground temperature of the typical Ground-Source Heat Pumps system in Nanjing

YANG Lumei1, 2, E Jian1, 2, ZHU Mingjun1, 2, CHEN Mingzhu1, 2, WEI Yongyao1, 2

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018,China; 2.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing,Jiangsu210018,China)

Ground-Source Heat Pumps (GSHP) are often used to exploit the shallow geothermal energy.The designer of GSHP should take into account the variation of the ground temperature field after the operation of GSHP. In this manuscript, in order to analyze the spatial-temporal evolution of the ground temperature field, the bored concrete pile with GSHP and three observation wells (1.2 m, 2.1 m, 3 m) were all equipped with temperature sensors. The results demonstrate that the variations in temperature are smaller with the increasing of the horizontal distance from the bored concrete pile; the influence range of the underground soil temperature decreases and the heat transfer rate gradually decelerates as the increase of the depth. The variation equation of ground temperature with time and depth of energy pile and the change equation of ground temperature with time and distance were obtained by multiple regression analysis.

ground-source heat pumps (GSHP); the ground temperature field; multiple regression

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.27

2016-10-08;

2017-01-12

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(12120114022001)；全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查項(xiàng)目(1212011120155)

楊露梅(1987-)，女，碩士，工程師，主要從事地?zé)岱矫娴难芯?。E-mail:yanglumei2003@aliyun.com

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