梁欣陽，趙雪紅，王 青

(1.陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護(hù)中心，陜西 西安 710004；2.航天恒星空間技術(shù)應(yīng)用有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

地埋管換熱器作為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的一個重要組成部分，對于地埋管地源熱泵系統(tǒng)可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。地埋管換熱區(qū)地溫場的變化特征對地埋管換熱器的換熱性能影響顯著，進(jìn)而影響熱泵系統(tǒng)的能效。國內(nèi)學(xué)者對地埋管換熱器及換熱器周圍地層的進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計及運(yùn)行的參考依據(jù)。孫婉等[2]基于上海某地源熱泵工程分析了換熱區(qū)地溫場變化特征，得出上海地區(qū)地埋管換熱對地溫的影響半徑半徑為 6.0～9.0 m，采用調(diào)峰策略可保證熱泵系統(tǒng)長期高效運(yùn)行。尚妍等[3]對大連某地源熱泵機(jī)組進(jìn)行間歇運(yùn)行實驗，得出地源熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行模式下采取間歇運(yùn)行策略能改善土壤溫升現(xiàn)象，提高熱泵性能系數(shù)。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)關(guān)中地區(qū)地源熱泵工程實踐中對地溫場變化的研究分析較少，制約了地源熱泵系統(tǒng)在當(dāng)?shù)氐耐茝V應(yīng)用。本文以陜西省淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范研究工程為例，對地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行3a的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為上海地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行及相關(guān)研究提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)特征

1.1 研究區(qū)概況

本次研究依托陜西省淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范研究基地，該示范基地建筑面積約為5 200 m2，共計2層，采用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，制冷負(fù)荷為230 kW，供暖負(fù)荷為285 kW。采用垂直埋管方式，單U型管并聯(lián)同程的熱交換器型式，埋設(shè)換熱孔數(shù)60 個，埋管深度150 m，埋管間距4.5 m，呈長方形布設(shè)于示范基地東側(cè)廣場下方。

1.2 地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)地層主要由素填土、粉質(zhì)粘土、黃土狀土、粗砂組成(表1)。155 m以淺地層中粘性土層厚度大，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均較小，140.7～142.9深度為粗砂，導(dǎo)熱系數(shù)為1.78 W/m·K，導(dǎo)熱性好，單孔換熱效率較高，適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用。

表1 研究區(qū)地層特征表

1.3 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)處于渭河盆地的開闊地帶，地形平坦。區(qū)內(nèi)沉積的巨厚松散層為地下水的儲存提供了良好的空間條件，巖性疏松的包氣帶、充沛的降水及豐富的地表水，均為地下水提供了有利的補(bǔ)給條件和充裕的補(bǔ)給源。

區(qū)內(nèi)200 m以淺的地下水類型主要為潛水和承壓水。潛水為松散巖類孔隙水，水位埋深10～30 m，含水巖組為沖積砂礫卵石，厚11.6～45 m，較強(qiáng)富水。承壓水為松散巖類孔隙水，水位埋深80～100 m，含水巖組為沖洪積砂礫卵石，厚27～38.55 m，中等富水。區(qū)內(nèi)地下水水位埋深相對較淺，徑流速度較快，徑流方向是由西南向東北，排泄進(jìn)入浐河。

2 地溫監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測孔布置

示范基地共布設(shè)12個監(jiān)測孔，每個監(jiān)測孔35 m以淺在5 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m處各設(shè)置一個監(jiān)測點，35～155 m每10 m設(shè)置一個監(jiān)測點，每個孔內(nèi)布設(shè)18個監(jiān)測點，合計216個地溫監(jiān)測點，分為換熱孔群內(nèi)部監(jiān)測區(qū)和換熱孔群外部監(jiān)測區(qū)。

內(nèi)部監(jiān)測區(qū)由2～8號監(jiān)測孔組成，以2號孔為中心3、6、7、8沿東南-西北向直線展布，各孔間距為0.9 m。 4、5號孔沿西南-東北向直線展布，4號孔與2號孔和4號孔、5號孔間距分別為1.35 m、1.8 m，對換熱區(qū)內(nèi)部溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測孔布設(shè)見圖1。

圖1 陜西省淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用

2.2 監(jiān)測設(shè)備

采用單總線式溫度傳感器監(jiān)測溫度，測量精度為±0.2℃，可自動采集、傳輸和存儲溫度數(shù)據(jù)。

2.3 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時段

示范基地地源熱泵系統(tǒng)自2017年開始運(yùn)行，于2018-01-01～2018-03-21對建筑物進(jìn)行供暖；2018-06-01～2018-09-14對建筑物進(jìn)行供冷；2018-11-06～2019-03-15對建筑物進(jìn)行供暖；2019-06-10～2019-07-19對建筑物進(jìn)行供冷；2019-11-01～2020-01-23對建筑物進(jìn)行供暖；2020-01-23～2020-11-30熱泵系統(tǒng)未運(yùn)行。

3 溫度場特征分析

3.1 地溫隨時間變化特征

各監(jiān)測點溫度隨時間呈波狀變化。15 m及以上地層主要受氣溫影響，15 m以下地層主要受換熱器取放熱量影響。按照不同區(qū)域分析溫度變化特征，換熱區(qū)內(nèi)不同深度地溫監(jiān)測點2018年1月-2020年11月的溫度變化特征見圖2。

換熱區(qū)內(nèi)監(jiān)測孔：

1號孔從溫度變化趨勢上看，15 m及以上的監(jiān)測點溫度隨時間變化有明顯的波動，15 m以下的監(jiān)測點溫度基本與2018-01-01時間溫度一致。從溫度波動幅度上看，1號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表2。

圖2 換熱區(qū)內(nèi)地溫監(jiān)測孔溫度變化特征

表2 1號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

恒溫帶與增溫帶監(jiān)測點溫度平均波幅為 0.20℃，小于等于溫度傳感器監(jiān)測精度 0.20℃，地溫基本未出現(xiàn)波動，可見1號孔受地埋管取放熱影響極小，因此其監(jiān)測數(shù)值可代表該地源熱泵工程區(qū)域溫度背景值。

2號孔從溫度變化趨勢上看可以看出2號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點的溫度值均隨著季節(jié)變化有著明顯波動，從溫度變化趨勢上看，波動在2018年和2019年有著明顯的周期性，夏季換熱器向地層排放熱量，各監(jiān)測點溫度最高，冬季換熱器吸取地層熱量溫度最低，而在2020年2月之后，隨著地源熱泵系統(tǒng)的停用，溫度不再波動，溫度接近地溫背景值。2號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表3。

2號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度較大，均值6.85℃，數(shù)值較大，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年孔內(nèi)換熱較大程度改變了地溫變化情況，由趨于平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。波峰和波谷分別出現(xiàn)在8月和1月，夏季地溫升高，夏季中期溫度到達(dá)最高，冬季地溫下降，冬季中期溫度到達(dá)最低。2018年8月各深度監(jiān)測點平均溫度為22℃，比地溫背景值高3.52℃，整個夏季平均比地溫背景值高2.18℃，2019年1月各深度監(jiān)測點平均溫度為14.04℃，比地溫背景值低4.35℃，整個冬季溫度平均比地溫背景值2.8℃。

3號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表4。

表3 2號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

表4 3號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

3號孔各深度監(jiān)測點平均溫度波動幅度約為1.83℃，數(shù)值較2號孔減少約4℃，可見距離換熱孔0.9 m處地溫受換熱器影響的程度變小。各深度平均溫度與同時期背景監(jiān)測值相比減少了1.60℃～3.52℃，平均減小2.81℃。

4號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表5。

表5 4號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

4號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度小，均值1.29℃，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年受換熱孔換熱影響，改變了地溫變化情況，由平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。波峰和波谷分別出現(xiàn)在10月和4月，夏季地溫升高，夏季末達(dá)到最高，冬季地溫下降，冬季末達(dá)到最低，這在時間上和2號孔的波峰波谷時間不一致，分別延遲了2個月和3個月，說明2號孔換取的熱量和冷量由換熱孔傳至地下水流動上游1.35 m的地層分別需要2個月和3個月。2018年10月各深度監(jiān)測點平均溫度為18.64℃，比地溫背景值高0.13℃，2019年1月各深度監(jiān)測點平均溫度為17.46℃，比地溫背景值低0.86℃，由2018年6月起至2019年5月整個供暖-供冷運(yùn)行年溫度變化為-0.13℃，小于溫度監(jiān)測設(shè)備精度，可認(rèn)為基本無變化。自2020年1月至2020年11月地源熱泵系統(tǒng)未運(yùn)行期間，各深度監(jiān)測點溫度無明顯波動，但4號監(jiān)測孔平均溫度與背景監(jiān)測孔各深度平均溫度在各個月份均相差約0.80℃。

5號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表6。

表6 5號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

5號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度較大，均值3.00℃，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年受換熱孔換熱影響，改變了地溫變化情況，由平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。波峰和波谷分別出現(xiàn)在10月和4月，夏季地溫升高，夏季末溫度達(dá)到最高，冬季地溫下降，冬季末溫度達(dá)到最低，這在時間上和2號孔的波峰波谷時間不一致，分別延遲了2個月和1個月，說明2號孔換取的熱量和冷量由換熱孔傳至下游1.35 m的地層分別需要2個月和1個月。2018年10月各深度監(jiān)測點平均溫度為19.36℃，比地溫背景值高0.85℃，2019年2月各深度監(jiān)測點平均溫度為16.95℃，比地溫背景值低1.40℃，由2018年6月起至2019年5月整個供暖-供冷運(yùn)行年溫度變化為-0.23℃，小于溫度監(jiān)測設(shè)備精度，可認(rèn)為基本無變化。自2020年1月至2020年11月地源熱泵系統(tǒng)未運(yùn)行期間，各深度監(jiān)測點溫度無明顯波動，但2號監(jiān)測孔平均溫度與背景監(jiān)測孔各深度平均溫度在各個月份均相差約0.70℃。

6號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表7。

6號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度較小，均值2.08℃，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年受換熱孔換熱影響，改變了地溫變化情況，由平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。夏季地溫升高，夏季末溫度達(dá)到最高，冬季地溫下降，冬季末溫度達(dá)到最低，這在時間上和2號孔的波峰波谷時間不一致，延遲了1個月，說明2號孔換取的熱量和冷量由換熱孔傳至下游0.9 m的地層分別需要1個月。2020年地源熱泵系統(tǒng)停止運(yùn)行后，各監(jiān)測孔各月平均溫度比背景監(jiān)測孔低約0.9℃。

7號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表8。

表7 6號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

表8 7號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

7號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度較小，均值1.84℃，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年受換熱孔換熱影響，改變了地溫變化情況，由平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。夏季地溫升高，夏季末溫度達(dá)到最高，冬季地溫下降，冬季末溫度達(dá)到最低，這在時間上和2號孔的波峰波谷時間不一致，分別延遲了2個月和3個月，說明地層傳輸2號孔換取的熱量和冷量由換熱孔傳至下游1.8 m的地層分別需要2個月和3個月。2020年地源熱泵系統(tǒng)停止運(yùn)行后，各監(jiān)測點各月平均溫度比背景監(jiān)測孔低約0.7℃。

8號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征見表9。

8號孔各深度監(jiān)測點溫度波動幅度較小，均值1.76℃，與地溫背景值對比可看出，2018-2019年受換熱孔換熱影響，改變了地溫變化情況，由平穩(wěn)變?yōu)橹鹉曛芷谛宰兓?。夏季地溫升高，夏季末溫度達(dá)到最高，冬季地溫下降，冬季末溫度達(dá)到最低，這在時間上和2號孔的波峰波谷時間不一致，分別延遲了2個月和3個月，說明地層傳輸2號孔換取的熱量和冷量由換熱孔傳至下游2.7 m的地層分別需要2個月和3個月。

表9 8號監(jiān)測孔各深度監(jiān)測點溫度波動特征

8號孔2020年地源熱泵系統(tǒng)停止運(yùn)行后，各監(jiān)測孔各月平均溫度比背景監(jiān)測孔低約0.59℃。

換熱區(qū)內(nèi)綜合來看，換熱區(qū)內(nèi)各監(jiān)測孔到達(dá)波峰波谷時間和溫度值均有所差異，為分析換熱孔在水平方向?qū)Φ販氐挠绊懀瑓R總各類數(shù)據(jù)見表10。

表10 各孔地溫變化特征表

從表10中可以看出，換熱孔周邊的監(jiān)測孔溫度到達(dá)波峰的時滯小于到達(dá)波谷的時滯，說明地層吸熱過程更迅速，吸冷過程較緩慢。波峰持續(xù)時間少于波谷持續(xù)時間，主要是由于夏季向地層排熱時間少于冬季向地層吸熱時間。繪制換熱區(qū)內(nèi)各個監(jiān)測孔地溫平均值與背景值之差等值線見圖3。

圖3 2020年各孔地溫平均值與背景值之差等值線圖

從圖3可以看出，距離換熱孔即2號監(jiān)測孔越遠(yuǎn)，與地溫背景值相差越小，地層受換熱影響越小。5號和7號監(jiān)測孔均距離2號孔1.8 m，但是溫度差不同，在各自方向上溫度梯度也不同，表現(xiàn)為沿地下水流方向的溫度差梯度大，垂直于地下水流方向的溫度差梯度小，說明地下水流動過程加速了地層溫度的變化，使溫度梯度加大。

此外，從監(jiān)測結(jié)果還可見，隨著地源熱泵運(yùn)行時間的增加，換熱影響下的監(jiān)測孔內(nèi)變溫帶各深度地溫梯度出現(xiàn)逐漸縮小現(xiàn)象，見表11。1號孔內(nèi)變溫帶地溫梯度三年未發(fā)生變化，2019年與2020年各孔變溫帶地溫梯度基本相同，說明地層受到地埋管換熱器吸取/排放熱量而產(chǎn)生的溫度變化逐漸占據(jù)主導(dǎo)。

表11 2018-2020各年間各孔內(nèi)15 m及以下各深度百米增溫率

3.2 地溫徑向變化特征

綜合看各個監(jiān)測孔平均溫度在2018年-2020年的變化趨勢，來分析地埋管換熱孔對地層的影響范圍，各孔平均溫度隨時間變化曲線見圖4。

圖4 各孔平均溫度隨時間變化曲線

可以看出僅有12號孔與地溫背景監(jiān)測值即1號孔孔內(nèi)各深度平均值隨時間變化趨勢比較吻合，其余孔曲線均有不同程度波動；并且2018年11月-2019年3月期間，換熱孔周圍地溫波動最大。

從圖中曲線走勢分析，將整個孔從垂向看做一個點源時，換熱孔的影響范圍小于3.6 m。

繪制換熱區(qū)外圍各個深度徑向地溫變化見圖5～圖7。

圖5 換熱區(qū)外圍20 m深度徑向地溫變化

20 m深度徑向變化趨勢為由換熱孔向外，降溫幅度(斜率)逐漸變小，在接近距換熱孔3.6 m處，曲線相交，溫度由降溫變成增溫，在圖中量算，相交點距離換熱孔為3.2 m。說明在距離換熱孔3.2 m的地方，溫度已經(jīng)不受換熱孔換熱影響，而遵循了地層自身的變化規(guī)律。

圖6 換熱區(qū)外圍50 m深度不同遠(yuǎn)近地溫變化

50 m深度徑向變化趨勢為由換熱孔向外，降溫幅度(加速度/斜率)逐漸變小，隨著時間曲線在距換熱孔3.6 m處接近于匯聚到一點，說明在3.6 m的地方，溫度受換熱孔換熱影響較小。

圖7 換熱區(qū)外圍100 m深度不同遠(yuǎn)近地溫變化

100 m深度徑向變化趨勢為由換熱孔向外，降溫幅度(加速度/斜率)逐漸變小，同時隨著時間，曲線沒有在3.6 m匯集在一點，說明在距離3.6 m的地方，溫度仍受換熱孔換熱影響，按照曲線趨勢預(yù)測，交點預(yù)計在3.6～3.9 m之間，故100 m深度影響范圍為3.6～3.9 m。

分析得出換熱孔在不同深度的影響范圍不同，影響半徑為3.2～3.9 m。將不同深度的影響半徑相連，得到圖8所示的錐形，可以看出同一個孔埋深越大，影響范圍越大，這是由于下部地層為飽水帶，水的流動對熱量交換作用較大。

圖8 換熱孔各深度影響范圍示意圖

建議綜合用地面積和換熱孔影響半徑來考慮地埋管布局。為了使換熱孔之間盡可能不產(chǎn)生相互干擾、疊加換熱，建議地埋管間距為影響半徑的二倍，即7.8 m。

3.3 地溫變化幅度情況分析

各個監(jiān)測孔地層平均溫度代表了地溫變化的幅度，見表12。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出各孔年均降幅多集中在0.2℃以下，小于監(jiān)測設(shè)備精度，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行3a地埋管換熱器取放熱基本平衡，未造成地層熱堆積現(xiàn)象，地埋管吸排熱量基本平衡。其中2、8號孔年均降幅為0.45℃，這是由于2號孔為換熱孔，其對地層換熱更多。8號孔位于各換熱孔中心位置，受到疊加換熱，該處地溫變化幅度大。

分析三年的變化可以看出，2020年停止換熱后，由于地層未受到夏季排熱，地層并沒有完全恢復(fù)到2018年的溫度，說明雖然短期內(nèi)沒有形成冷堆積，但仍要科學(xué)制定熱泵運(yùn)行模式，運(yùn)行高峰時段采取間歇運(yùn)行、分區(qū)運(yùn)行等措施進(jìn)行削峰，保持地溫基本平衡，以保證地源熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行。

表12 各個監(jiān)測孔逐年平均溫度變化表

4 結(jié)語

(1)地埋管地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行 3 a，換熱區(qū)內(nèi)外土壤溫度隨時間呈波狀變化。其中 5 m 深處的地溫受環(huán)境溫度影響較大，波動幅度最大，其他深處的地溫主要受地埋管取放熱影響，波動幅度較5 m 深處的小。并且地下土壤溫度變化相對于環(huán)境溫度的變化存在一定的滯后性，其中換熱區(qū)中心區(qū)域土壤溫度變化滯后于環(huán)境溫度變化約為 3 個月。

(2)隨著地源熱泵運(yùn)行時間的增加同一監(jiān)測孔內(nèi)各深度處的地溫梯度出現(xiàn)逐漸縮小現(xiàn)象，從 2018年的3.64℃/百米減至 2019年的2.88℃/百米。這是由于地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，地埋管換熱器不斷的向地下土層進(jìn)行取放熱，并且向各深度土層取放熱的量基本相等，隨著取放熱量的累積增加，地層受地埋管換熱器取放熱影響而產(chǎn)生的溫度變化逐漸占主導(dǎo)，因此各深度地層溫度梯度逐漸減小。

(3)埋管區(qū)周圍地溫在徑向上呈現(xiàn)波狀衰減的變化趨勢，換熱孔處地溫波動最大，隨著與鉆孔距離的增大，溫度波動幅度逐步減小。距離換熱孔3.9 m處地溫幾乎無變動，因此本地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行 3 a 地埋管換熱對地溫的熱影響半徑在3.2～3.9 m。

(4)本地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中夏季和冬季符合基本相同，因此持續(xù)運(yùn)行 3 a 地埋管換熱器取放熱基本平衡，未造成地層熱堆積現(xiàn)象，運(yùn)行效果較好。