严寒地区土壤源热泵土壤温度场变化特性研究

白莉 李杨

吉林建筑大学市政与环境工程学院

严寒地区土壤源热泵土壤温度场变化特性研究

白莉 李杨

吉林建筑大学市政与环境工程学院

本文通过对长春地区某土壤源热泵工程的土壤温度场进行实时监测，研究其变化规律及影响因素。研究表明：土壤温度场随热泵供热/供冷交替运行呈现周期性正弦规律变化；土壤温度场受室外气温影响随深度逐渐减弱，起测点-2.5m处最大，-10m后变化幅度趋于相同；过渡季节土壤温度场自恢复能力非常有限，土壤源热泵工程在冷热负荷不均衡的条件下长期运行不可避免出现热失衡现象。

土壤源热泵 实测 土壤温度场

土壤源热泵作为一种新能源已得到广泛应用，但由于冷热负荷不均衡产生的土壤温度场热失衡问题一直是其发展的瓶颈。近年来国内许多学者致力于此方面的研究。刘俊，魏静等人以夏热冬冷的上海为例进行了模拟研究，研究表明，在冷热负荷不平衡率为10%时，运行5年后其土壤温度呈总体上升趋势，但对系统冬、夏换热性能影响不大，而且土壤温度在运行的前3年温升较大[1～3]。胡志高等人建立地源热泵实验台，通过-5m到-30m土壤温度变化实验数据分析了夏热冬冷的武汉地区土壤源热泵运行前后的地温特性，得出了-30m土壤温度变化基本稳定，更有利于热泵运行的结论[4]。陆游等人对寒冷地区天津的某地源热泵土壤温度场进行监测，得出吸热与地温的降低并不完全呈正相关性的结论[5]。王鹏轩和李姝睿对严寒地区土壤源热泵系统进行了有补偿和无补偿两种条件下的模拟研究[6～7]。程韧对土壤纵向温度场进行了研究，其研究结果为：土壤纵向温度振幅随深度衰减，昼夜温差的变化会进入地下1m左右，季节温度变化进入-15m左右便会衰竭，-15m以下属于恒温带[8]。上述研究通过模拟和实验的方法，丰富了土壤温度场传热理论，但从探求土壤源热泵长期运行温度场平衡状况的角度出发，建立土壤源热泵温度场实时监测系统更具意义。鉴此，本研究利用严寒地区土壤源热泵示范工程，建立了一套土壤温度场实时监测系统，旨在研究严寒地区热泵长期运行条件下土壤温度场变化规律及影响因素。

1　热泵工程及监测系统简介

1.1土壤源热泵工程介绍

选取长春某大学教学馆为土壤源热泵（供热/供冷）示范工程，总建筑面积为34882.24m2。设有一个中心热泵机房，配置热泵机组2台，循环泵6台；采用双U型垂直埋管，设置深度为100m、直径180mm的换热井120个；综合考虑实际布井位置条件及科研需要，换热井群分L型和阵列式二种方式，L型布井区井间距为5m，阵列布井区井间距分别设置为4m、5m、6m，换热井布置示意图如图1所示。根据现场地质勘查结果：0～8m为松散地层，主要以粘土和粉质粘土为主，属于第四系；8～23m主要为粗砂和中粗砂，属于第四系；23～49m为弱风化及中风化的泥岩和砂砾岩，属于白垩系；49～92m为微风化的泥岩和砂砾岩，属于白垩系。根据土壤热响应测试，计算得到土壤综合热传导系数为2.573W/(m·K)，测试条件下，每延米换热量为25W/m。

图1　换热井布置示意图

1.2监测系统介绍

为研究不同井间距土壤温度场实时变化情况，在阵列布井区按不同井间距分别设立4组监测区域，在L型布井区设立1组监测区域，5组监测井分布示意图如图2所示。每组监测井设置一个主监测井和两个辅监测井，监测井布置详图如图3所示。主监测井深100m，共设置11个测温点，其中最浅层为2.5m，其它每间隔10m设置一个。2个辅监测井深40m，分别设置在距主监测井间距1m和2m的两侧，在深度为-10m至-40m范围内，每间隔10m设置1个测温点。监测井温度传感器布置示意图如图4所示。主监测井就是实际工程的换热井，在施工时将三线制PT1000温度传感器按间距要求固定在PE管上，与PE管同时下入到钻凿好的换热井内。此监测系统既可实现对不同深度，纵向上的土壤温度场变化情况的实时监测，同时也可以掌握同一岩土层，横向土壤温度场变化，以及换热井之间温度场的相互影响。

图2　监测井布置示意图

图3　监测井布置详图

图4　监测井温度传感器布置示意图

2　土壤源热泵工程监测结果与分析

2.1冬季工况

图5至图7为2014年10月～2015年3月土壤源热泵冬季运行工况土壤温度场变化情况。从图中可以看出，由于冬季工况换热器从土壤中取热，土壤温度场总体呈下降趋势。图5为-2.5m至-40m浅表层土壤温度变化情况，从图5可以看出，在-2.5m处地温变化幅度最大，-10m之后各层温度变化幅度逐渐减小，趋于一致，与文献7研究结论基本一致。这是由于浅表层地温受太阳辐射影响较大，在室外气温和土壤换热的共同影响下，呈现明显的下降趋势；但随监测深度的增加（-10m以后），土壤温度场受室外气温的影响逐渐减小，土壤温度变化仅取决于土壤换热，趋于稳定。

图5浅表层土壤温度场变化图

图6和图7为-10m至-100m土壤温度场变化情况。从图中可以看出，热泵运行初期土壤温度下降幅度较小，12月份后至次年2月期间土壤温度下降速率增大，3月份至4月份土壤温度下降速率又回缓。这种变化与土壤换热负荷变化是完全一致的，12月份后至次年2月是严寒地区的最冷月份，供暖负荷最大；冬季初始与第二年春末，受气候影响，供热负荷减少，土壤温度场变化缓慢。由此可见，土壤温度场的变化直接受室外气温的影响，或者说供热负荷是土壤温度场变化的决定因素。

图6　地下10m至50m土壤温度场变化图

图7　地下50m至100m土壤温度变化图

观察整个供暖期各层土壤温度变化情况，可以看出：各层温度均有不同程度的下降，下降幅度为0.44～1.32℃之间，其中地下40m变化幅度最小，地下10m变化幅度最大，每层相同时期温度下降的速率也不一致。研究这些实测数据，找不出这种变化幅度和速率与土壤换热层深度的直接关系，分析其主要原因有两方面：一是由于各层地质条件差异导致的土壤传热性能不均衡，其换热的热扩散响应也存在差异，进而导致各层土壤温度变化出现不同程度的延迟；另一方面，供暖热负荷的瞬时波动，以及水力失调也是导致各深度土壤温度场变化幅度和变化速率呈现不一致性的因素。

2.2夏季工况

图8与图9为2014年7月～9月夏季工况土壤温度变化情况。从图中可以看出，夏季运行向土壤中释放热量，所以土壤温度场呈现上升趋势。各层上升速率略有不同，-50m以上土壤温度相差略大，-50m以下土壤温度及变化速率基本相同，说明-50m以下换热更加稳定。由图8、图9可以明显看出，7月30日后土壤温度场上升速率增大，这与室外气候特征有直接关系，供冷负荷的增大正相关影响土壤温度场变化。根据统计，各层温度场变化幅度为0.21～0.75℃，可以看出，由于长春属于严寒地区对于供冷量的需求相对较小，所以夏季运行土壤温度场变化幅度较小。这也说明冷热负荷的不均衡会直接影响土壤温度场的变化，导致土壤出现冷堆积问题，进而影响土壤源热泵运行效率。

图8　夏季-10m至-50m土壤温度变化图

图9　夏季-60m至-100m土壤温度变化图

2.3过渡季节土壤温度场变化

图10与图11为夏-冬和冬-夏两个过渡季节土壤温度场变化情况。从图10可以看出，2014年9月初供冷结束后，至2014年10月末转换工况期间，土壤温度场并没有下降，而是仍然呈缓慢上升趋势。由图11可以看出2015年3月末供暖结束至2015年6月停机期间，土壤温度仍保持缓慢下降趋势。通过此现象可以看出，过渡季节土壤温度变化对恢复土壤温度场平衡并未明显起到积极作用，这与当地多沙石少水分的地质条件有一定关系。受地质条件限制，致使土壤温度场响应存在一定的滞后，使得土壤温度场自恢复效果不明显。由此可见，过渡季节土壤的自恢复能力有限，因此，土壤温度场的平衡必须依靠供热/供冷交替运行来实现，土壤温度场平衡的最佳条件是建筑冷热负荷的平衡。

图10　夏-冬土壤温度场变化图

图11　冬-夏土壤温度场变化图

3　结论

1）随着土壤源热泵供热/供冷工况的转变，土壤温度场呈现出周期性的正弦规律变化，而变化幅度主要取决于当地气候条件、土壤热物性参数及供热/供冷负荷三方面因素。建议在土壤源热泵的设计及运行调节中充分考虑当地气候环境温度及地质条件和建筑物的负荷特征。

2）土壤温度场在过渡季节的变化不大，说明土壤的热扩散能力非常微弱，而且对于热扩散的响应存在延迟。因此，在严寒地区不能依靠过渡季节土壤温度场自恢复能力来实现土壤温度场的平衡。

3）严寒地区土壤源热泵系统的地下冷堆积问题是一个长期效应，因此，建立土壤源热泵监测系统有利于掌握土壤温度场变化规律及影响因素，对于制定全面合理的系统运行调控方案具有积极指导作用，从而确保系统的长久可靠性及节能。

[1]刘俊,张旭.大规模地源热泵地温恢复特性研究[J].铁道标准设计,2010,(增刊2):93-96

[2]魏静.上海地区地源热泵系统对地址环境热影响的模拟分析[J].暖通空调,2015,45(2):102-106

[3]王晨,刘金祥.地源热泵地热响应测试影响因素分析[J].建筑热能通风空调,2014,33(2):49-52

[4]胡志高,袁旭东.土壤源热泵运行前后地温特性实验研究[J].制冷与空调,2007,7(2):52-54

[5]陆游,王恩宇,杨久顺.地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析[J].河北工业大学学报,2015,44(1):66-72

[6]王鹏轩.严寒地区土壤源热泵系统热平衡问题分析[D].长春:吉林建筑大学,2014

[7]李姝睿.严寒地区土壤源热泵系统地下土壤热失衡问题分析[D].长春:吉林建筑大学,2015

[8]程韧.浅层地能（热）的开发与利用[EB].http://www.chinagb.net /200801/20080131110159876.pdf,2008

[9]王华军,杨立新,顾吉浩.地源热泵系统运行中土壤温度场变化特性的实例分析[J].暖通空调,2011,41(7):119-122

[10]魏静,高世轩,孙婉.上海地区地源热泵工程地温场特征实验研究[J].暖通空调,2015,45(6):41-46

[11]徐贵来,刘红卫,张晴.地下水源热泵系统运行期间岩土层温度变化规律研究[J].资源环境与工程,2010,24(2):180-184

[12]王小清,王万忠.地埋管地源热泵系统运行期地温监测与分析[J].上海国土资源,2013,34(2):76-79

Study on Soil Temperature Field Variation of Ground Source Heat Pump Project in Extreme Cold Area

BAI li,LI Yang
School of Environmental Engineering,Jilin Jianzhu University

Based on the real-time monitoring of soil temperature field of a soil source heat pump project in Changchun, the variation law of soil temperature field and its influencing factors was researched.It shows that:the soil temperature field with the heat pump heating/cooling alternate operation present a periodic variation.The affect of outdoor temperature on the soil temperature field gradually weakened with the increase of the depth,and the biggest change appears at-2.5(the beginning measure point)and after-10m the change tend to be the same.In transition season soil self-recovery capability is very limited,and ground source heat pump system under the condition of cold and hot load imbalance to run for a long time inevitable emergence of thermal imbalance phenomenon.

ground source heat pump,actual measurement,soil temperature field

1003-0344（2015）06-019-4

2014-9-14

白莉（1964～），女，博士，教授；吉林省长春市吉林建筑大学市政与环境工程学院（130118）；E-mail:baili0308@163.com

“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAJ05B03）