地埋管地源热泵系统运行期地温监测与分析

王小清，王万忠

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

地埋管地源热泵系统运行期地温监测与分析

王小清，王万忠

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

以上海地区某工程为例，通过设置地温监测系统并对地温进行监测，根据监测结果和地源热泵系统运行情况，对地埋管地源系统运行期地温场的变化特征进行分析研究。结果表明：换热区地温变化与地源热泵系统的运行情况相关，呈现规律性的变化；经过一个运行年度，换热区的地温场能够基本恢复至原始状态；系统运行对换热区外围区域地温场的影响范围有限。研究成果可为浅层地温能的开发利用提供技术支持。

浅层地温能；地源热泵系统；地温监测；温度场

地埋管地源热泵系统是一种利用浅层地热能资源的高效节能空调系统，同时也是一项利用可再生能源的建筑节能技术。近年来，随着国家对可再生能源利用、节能减排等工作的加强，在相关政策的扶持下，地埋管地源热泵系统的应用发展迅速。地埋管地源热泵系统在运行过程中将一定程度上改变换热区的地温场[1]，地温场的改变直接影响系统性能和换热区的地质环境[2]。因此，通过设置地温监测系统，及时掌握系换热区地温动态的变化特征，科学指导系统运行，对达到系统最优性能和保护地质环境具有重要意义。

本文以上海某地埋管地源热泵系统为例，开展地温监测和数据分析研究工作，为地埋管地源热泵系统的应用提供借鉴。

1 工程概况

某学院图文信息中心工程位于上海市青浦区，建筑面积约15500m2，采用竖直地埋管地源热泵空调系统，共设置深100m的单U型换热孔250个。受埋管面积的限制，换热孔分南、北两个区域进行布置；地温监测选择在南区的换热区进行布置，如图1。

图1 监测区换热孔布设Fig.1 The arrangement of heat exchanger

2 地温监测系统设置

2.1 监测孔平面布置

地温监测共分3个区域，监测一区（近换热区中部）布置3个监测孔，监测二区（换热区西北部）布置1个监测孔，监测三区（换热区东部）布置5个监测孔。其中，一区设有一个换热孔兼监测孔，各区监测孔与换热孔之间位置关系见图2。

图2 监测孔平面位置Fig.2 The planimetric position of monitoring hole

2.2 监测点布置

地温监测采用SLST1-8A数字式温度传感器，其按照不同深度设置在监测孔内，各监测孔温度传感器布设情况见表1。

表1 监测孔温度测点布设深度Table1 Layout depth of temperature sensor in monitoring hole

机房进水总管上布置2台流量计，4根进出水总管上布置4个温度传感器。

2.3 数据采集和传输系统

采用SLET1000-3地温自动监测系统。系统能将现场温度数据采集、处理后，通过GPRS发送到数据采集中心，从而实现地温数据的实时、集中在线监测。

3 监测数据及分析

3.1 系统运行情况及分析数据的选取

监测系统于2010年6月18日开始对地温进行监测。

地源热泵系统运行情况：2010年8月2日～10月10日为制冷季，2010年11月30日～2011年3月4日为供暖季，2011年6月5日～9月30日为制冷季。为分析在地源热泵系统一个完整的运行年度之后热泵系统对地温场的影响，本文分析的数据的时间结点定在2011年供暖季开始之前，即2011年10月底。

监测系统数据采集频率为5分钟一次，由于监测期较长，采集的数据量较大，在保证准确反映温度变化趋势的前提下，每间隔30分钟选取一个数据进行分析。

3.2 监测一区

熙熙攘攘中，笔者看到了两个江湖都在起风涌浪，有人在高唱，今日“涛浪淘尽红尘俗事知多少”；隐隐约约中，笔者已经感受到了两个江湖都在升温降温，有人在感叹，未来“豪情还剩了一襟晚照”。

监测孔J1、J2、J3布置在55、65、66号换热孔所围成的三角形区域内，各监测孔在监测期的成果见图3。

从图3中可以看出：监测期J1、J2、J3孔20m以深的地温，随着地源热泵系统的制冷季—过渡季—供暖季—过渡季—制冷季的转换而呈现规律性变化，制冷季温度升高，供暖季温度降低，过渡季温度逐渐恢复；20m以浅的地温变化特征基本与气温的变化规律相同。

J1孔温度2011年4月14日达到最低，与初始平均地温相比降低了约0.36℃；2011年10月11日达到最高，较初始平均地温升高约1.71℃。J2孔温度2011年4月12日达最低，与初始平均地温相比降低了0.28℃；2011年10月9日达最高，较初始平均地温升高约1.70℃。J3孔温度2011年4月22日达最低，较初始平均地温降低了0.20℃； 2011年10月25日达最高，较初始平均地温升高1.67℃。

图3 监测一区监测孔地温变化曲线Fig.3 Soil temperature distribution of J1～J3 hole in No.1 monitoring area

3.3 监测二区

该监测区布置J12孔，位于22、23、32、33号换热孔所围的中心位置。J12距22、23号换热孔距离分别为2.64m、2.61m。该监测孔因温度传感器损坏，仅采集至2011年7月19日。监测数据见图4。

从图4中可以看出，温度总体变化规律与监测一区相同。该孔2010年10月19日达到最高，较初始平均地温升高约0.77℃；2011年4月14日达最低，较初始平均地温降低约0.16℃。

图4 监测二区监测孔地温变化曲线Fig.4 Soil temperature distribution of J12 hole in No.2 monitoring area

3.4 监测三区

该监测区布置J4、J5、J6、J7、J8孔，监测孔沿垂直于换热区边缘94、95、96号换热孔的直线连线，在换热区外围布设。J4、J5、J6、J7、J8孔距95号换热孔的距离分别为1.12m、5.74m、7.82m、10.59m、11.81m。各监测孔监测数据见图5。

从图5中可以看出：J4、J5孔地温总体变化规律与监测一区、二区相同；J6、J7、J8孔20m以深的地温在整个监测期内的变化极小。

J4孔温度2011年4月13日达最低，较初始平均地温降低了0.10℃；2011年11月3日达最高，较初始平均地温升高1.08℃。J5孔温度2011年10月30日达最高，较初始平均地温升高0.66℃。

图5 监测三区监测孔地温变化曲线Fig.5 Soil temperature distribution of J4～J8 hole in No.3 monitoring area

3.5 综合分析

根据各监测孔地温监测数据综合分析，可以认为：

换热区地温变化与地源热泵系统的运行情况相关，呈规律性变化；地温变化幅度与换热孔的距离相关，换热区中心区域变化幅度较大，而边缘区域地温变化相对较小，如监测一区地温变化幅度是监测二区的2倍左右。

地源热泵系统运行时对换热区外围区域地温影响，随距离增大而逐渐减弱。如J5与J4孔相比，其温度变化曲线坡度较缓，变化幅度较小；而J6、J7、J8孔地温基本未变化，可以认为不受系统运行的影响。

4 结论

（1）地埋地源热泵系统运行将改变换热区温度场，温度场的改变与系统的运行情况相关，呈规律性变化。

（2）经过一个运行年度，换热区的地温场基本能够恢复至初始地温值状态。

（3）换热区20m以浅地温场受气候和系统运行的综合影响，以气候影响为主；20m以深地温场仅受系统运行的影响。

（4）换热区外围区域地温场，因距离的增大而受系统运行影响逐渐减弱，影响范围有限。

References)

[1] 庄宇,潘小平. 地源热泵空调系统的换热工区岩土体的温度变化研究[J]. 水文地质工程地质,2010,37(6):134-138.

Zhuang Y, Pan X P. A study of the soil temperature change caused by GSHP air-conditioning system[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2010,37(6):134-138.

[2] 高世轩. 上海地源热泵系统对地质环境热影响研究[J]. 上海国土资源,2012,33(1):67-70.

Gao S X. Analyzing the influence of heat on the geological environment surrounding ground source heat pump system in Shanghai[J].Shanghai Land & Resources,2012,33(1):67-70.

Soil-Temperature Monitoring and Analysis of a Ground Source Heat Pump System During the Operating Period

WANG Xiao-Qing, WANG Wan-Zhong
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

This paper reports the results of a soil-temperature monitoring project in the Shanghai area. A soil-temperature monitoring system was installed to monitor fluctuations in soil temperature. Measurements of temperature and of the operating status of the ground source heat pump system indicate that the soil temperature field in the ground-coupled heat pump system varied during the operating period. The results show that the soil temperature distribution in the heat exchanger is associated with the operation of the ground source heat pump (GSHP) system. After one year of operation, the soil temperature distribution in the heat exchanger returns essentially to the original condition. The running of a GSHP system cannot affect temperature changes outside the heat exchanger. The results should provide technical support for the development and utilization of shallow geothermal resources.

shallow geothermal energy; ground source heat pump system; soil temperature monitoring; temperature field

P314

A

2095-1329(2013)02-0076-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.018

2012-08-07

2013-03-15

王小清(1974-),男,高级工程师,主要从事浅层地热能开发利用研究.

电子邮箱：sigee930@163.com

联系电话：021-66110691

上海市规划和国土资源管理局科研项目“地源热泵系统应用对地质环境热影响研究”