重庆市浅层地温能开发利用地温场变化规律研究

张甫仁，王乐祥，李雪洋，彭清元，王策策

(1.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074；2.重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆 401147)

0 引 言

随着社会能源消耗量的大幅上升，浅层地温能作为一种新型能源[1]，其开发利用不仅环保，而且节能。我国对浅层地温能的研究起步较晚，近几年才开始大规模的研究，国土资源部加强了浅层地温能开发利用工作[2]。一般情况下，浅层地温能的开发利用形式主要是地源热泵系统，相比传统的能源利用形式，地源热泵系统能够实现利用较少的电能得到大量热能。

重庆市由于其特殊的地理位置和地层构造，浅层地温能作为可再生能源的一类，其开发利用关系到重庆市能源结构的调整。2011—2012年，中国地质调查局下达了“重庆市浅层地温能调查评价”项目[3]，同年，“重庆市浅层地温能开发利用前景研究”项目[4]也被重庆市国土资源局批准，紧接着开展了 “浅层地温能在重庆市开发利用情况调查评价”工作。大量有关重庆市浅层地温能调查评价[5]及科研项目的开展，不仅得到了重庆市浅层地温能的分布情况和储存量[6]，为后期开发利用提供了依据，同时也为本研究奠定了基础。

虽然重庆市在浅层地热能的开发利用方面开展了大量的探索性基础研究工作，促进了浅层地温能的应用，获得了很多宝贵的经验，但仍存在一些问题亟待解决。目前重庆在利用浅层地温能方面缺少系统长期运行的地温动态监测及对地下的地质环境影响研究。笔者在地源热泵技术领域所研究的浅层地温资源监测网将为地温能的开采和应用奠定基础[7]，极具理论与实践意义。

1 监测网设计与建设

1.1 设计建设原则

1) 监测网要建设在具有代表性的区域，其要兼顾水文地质、地层构造、区域地质等特点。

2) 符合地源热泵换热系统实际情况，操作方便。

3) 监测网系统中选择具有代表性的监测点。

4) 确保监测数据准确和连续。

5) 监测情况要有目标性和针对性。地温动态、热泵运行能效、热泵运行对地质环境影响等应为监测网主要监测内容。

6) 在覆盖整个重庆市主城区的同时，根据城区规划进行建设，方便管理。

1.2 监测网总体构架

该监测系统利用计算机网络技术和无线采集与通信技术可在重庆地区高效稳定且大面积的监测浅层地温能情况。该浅层地温能监测网由控制系统控制多个高精度传感器探头和数据采集接收中心组成，其中无线远程数据传输是采用GPRS/CDMA，该检测系统最多可以容纳数据终端9 999个，最多可以安装高精度能效监测传感器16万个，足以满足重庆市浅层地温能的实际监测需求。该监测网系统构造如图1。

1.3 监测网建设

根据中国地质科学院水文地质环境研究所制定的《全国重点城市浅层地温能调查评价技术要求》、《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》(国土资发[2008] 249号)等文件要求，结合浅层地温能监测数据的实际需要，监测网中心站建在重庆南江水文地质工程地质队人和基地。在调查评价的整个1 682 km2工作区域范围内选择具有不同地质环境和代表性的5个地区建设监测站，且安排5名工人长期监测孔，在5个监测站中选择2个建立能效监测站，这两个典型地源热泵应用工程分别为重庆南江水文地质队集资楼地源热泵项目和后勤工程学院地源热泵项目。

图1 浅层地温能监测网构造Fig. 1 Structure of the monitoring network of shallow geothermal energy

2 监测站建设

2.1 监测站工程概况

此次研究主要选取重庆南江水文地质队集资楼地源热泵项目的地温监测数据进行分析。重庆市地勘局南江水文地质工程地质队修建的集资楼是一栋集办公和职工住宅于一体的综合型大楼。集资楼为单栋3～32F/-3F，该楼总建筑面积为48 528.81 m2。商用楼是1F，办公室在2～3F，员工住宅在4F以上。其中1F商用楼和2～3F办公室部分采用地源热泵中央空调系统，面积为6 368 m2。建筑物冷负荷为605 kW，热负荷298 kW，集资楼采用复合式系统(地源热泵和卫生热水并用)，以埋管间距4.5和5 m，以钻孔深度100 m布置钻孔90个。这样能解决地源热泵系统由于冬季长期排热取热量不均造成的问题。

2.2 地温监测系统

南江地质队的集资楼地源热泵系统作为长期运行监测站点，有监测用钻孔5个，监测孔布置情况如图2。其中，2号孔和3号孔用于研究U型埋管的换热性能，1、4和5号孔用于研究系统运行地温场变化情况。

图2 监测孔布置示意Fig. 2 Layout diagram of measuring holes

为了监测温度变化情况，即全年原始地温变化，全年周边环境温度变化，换热器运行时土壤温度变化和对埋管换热器保温30 m以后的进出口温度变化。在1号地温监测孔地下15 m范围内每米安置一个，其余孔20 m以深每10 m安置一个温度传感器，共用热敏电阻测温元件62支。

3 监测站点地温监测分析

3.1 土壤原始地温分析

重庆市的地层变温带为0～10 m，恒温带则是11 m以下。虽然在恒温带中地层温度也随深度逐渐升高，但是不同的深度范围地热梯度还是不同[8]。基于文献研究结果，通过地温监测系统采集2011年3月28日—2014年10月28日的地温数据，绘制温度变化曲线如图3。

图3 地下岩土温度监测数据Fig. 3 Temperature monitoring data of underground rock

从图3中可以看出，2013年2月以前在没有埋管换热器的干扰下，不同深度的突然温度呈周期性变化，这是土壤原始变化规律。变温带因为和大气环境接触，且换热性能良好，其变化规律和大气温度变化规律相同，恒温带距大气环境有10 m多，且换热性能较差，其地温变化和大气温度变化没有关系，监测孔的原始温度实际测试曲线放大如图4。

图4 原始地温监测数据Fig. 4 Original geo-temperature monitoring data

通过岩土热相应测试得到的土壤原始温度为20.0～20.4 ℃，这和地温监测网监测到的1号、4号、5号孔的实际原始地温数据20.06、19.90、20.01 ℃基本相符。由于热响应测试会被季节效应影响，测试结果不准确，夏季相对冬季温度波动大，所以，通过地温监测网监测的数据比热响应测试得到的数据更为可靠。

经历了两个完整的地源热泵系统运行后，土壤恒温带从2013年2月至今，已经产生了明显的温度变化，供暖期土壤温度下降幅度较大，制冷期土壤温度上升幅度较大，这是因为供暖期地源热泵系统从岩土取热，制冷期地源热泵系统向岩土放热。

3.2 年度温度变化情况

地源热泵系统从2013年2月1日—2013年3月5日为第1个运行供暖期，2013年5月15日—2013年9月25日为第1个运行制冷期；2013年11月1日—2014年2月25日为第2个运行供暖期，2014年6月1日—2014年9月15日为第2个运行制冷期。

通过监测收集整理两年的供暖期和制冷期的地温数据，去掉不全的日期内的数据后，计算并绘制了2013—2014年系统运行地温监测变化，如图5。

由图5可见：1号、4号和5号孔20 m以深的地温，随着地源热泵系统的供暖期-过渡期-制冷期-过渡期-供暖期的转换而呈现规律性变化，岩土温度先是在冬季供暖期内降低，然后在夏季制冷期内升高，最后在过渡期内逐渐恢复。从图5可见5号孔土壤温度变化幅度比1号和4号孔更明显，这是因为5号孔为运行孔，地源热泵系统地埋管管壁处接触土壤，致使土壤温度波动幅度大。由于土壤换热是一种复合传热过程[9]，是由管内强迫换热和管外自然换热组成，所以其热阻主要为埋管外的土壤热阻。因此竖直埋管换热器在半径方向上各处地温振幅衰减迅速，土壤温度对传热的波峰变化和时间延迟也显得十分明显。综上原因，5号孔和1号、4号孔的制冷期最高温出现的月份不同，5号孔最高温度为8月份，而1号孔和4号最高温为10月份。在制冷期结束后，由于存在延迟性，5号孔和1号孔、4号孔地温能恢复情况也不同，5号孔恢复较快，而1号孔和4号孔恢复较慢。

此外，从图5还得知，虽然深度不同的岩土层的温度变化情况存在部分差异，但是整体变化趋势一致，在100 m深度的非运行孔的地温变化幅度非常小，几乎保持不变。通过对比两年的地温监测数据和1号孔、4号孔的温度变化规律得到，距离运行孔越远，岩土温度变化所受影响越小。

在2013—2014年两年的系统运行情况下，监测得到制冷期和供暖期的地温数据，通过整理分析后，选取恢复期的平均温度绘制变化趋势，如图6，方便直观看出系统运行后土壤温度变化情况。

图6 不同孔埋管区域地下岩土温度变化总趋势Fig. 6 Total change trends of underground temperature for the buried holes in different regions

由图6可见，5号孔的土壤温度变化幅度明显比1号孔和4号孔大，原因在之前已经分析。重庆是夏热冬冷地区，建筑物的冷负荷远大于热负荷，所以夏季地温升幅明显比冬季地温降幅大，通过运行的两年来看，第1年供暖运行恢复正常，制冷运行恢复缓慢，供暖期结束后温降仅为0.05 ℃，而制冷期结束后，地温升达到3.45 ℃，但此温升不会对系统运行稳定性造成影响，因为此温升可为恢复期之后的供暖期提供热量，相当于部分热量从夏季到冬季的换季使用。但是当第2个完整运行年结束后，相对于原始地温，温升2.27 ℃，长此以往，土壤温度是不断升高的，其原因主要为重庆地区冬季热负荷太小，夏季冷负荷过大，不能充分利用夏季排放到土壤中的热能。

3个监测孔运行全年平均温度和温度变化情况统计如表1。

表1 各监测孔全年平均温度及其升幅(2013—2014)Table 1 The annual average temperature and increase range of the monitoring holes (2013—2014) ℃

由表1可见，随着系统的运行，土壤平均温度呈上升趋势，产生轻微热堆积情况，但2014年比2013年仅有小幅温升，目前该地源热泵系统运行状况良好，地温变化未对系统产生重大影响，监测网将持续监测地温变化情况。系统后期运行应加强系统管理，加大生活热水使用量等从而防止产生严重热堆积，导致系统不能正常运行。

图7 2013年系统供暖期地温监测数据Fig. 7 Geo-temperature monitoring data of the system in heating period of 2013

3.3 典型运行期变化规律分析

图7为典型供暖期运行地温监测数据，系统运行造成不同深度岩土温度呈现不同幅度的降低，由于受地表温度和室外气候的影响，浅层岩土温度降低并不明显，而深层岩土的温度则主要受地下换热的影响，其降低值较大。运行期中下降温差最大出现在90 m深度处，为3.87 ℃，不同深度温度的变化规律均相同，平均温差降为3.18 ℃，在系统供暖结束后，即3月5日之后，岩土温度开始恢复，至4月6日已基本恢复，20～100 m深度范围的平均地温为19.96 ℃，相对原始地温降仅为0.05 ℃。深层岩土温度稳定至系统运行前的水平，说明短时间(1个月)的系统运行对岩土温度的瞬时影响比较明显，但由于岩土自身的散热能力，地温恢复良好，利于地源热泵的长期运行。

该地源热泵系统在2013年冬季短暂的1个月供暖后进入第2个供暖期，即11月至第2年的2月，如图8。运行期中下降温差最大依然出现在90 m深度处，为4.62 ℃，不同深度的平均温差降为3.94 ℃，在系统供暖结束后，岩土温度开始恢复，最终温降为1.14 ℃。因为重庆地区存在的冷热负荷不均问题，所以热泵也会存在冷热不均现象，解决此问题的关键在于冬季要充分利用夏季的蓄热。

图8 2014年系统供暖运行地温变化Fig. 8 Geo-temperature monitoring data of the system in heating period of 2014

4 结 论

1) 建立重庆地区浅层地温能监测网，长期有效的监测地源热泵系统运行前后地温场的变化，为地质环境影响研究提供基础分析数据。

2) 地温随着地源热泵系统的供暖期-过渡期-制冷期-过渡期-供暖期的运行而呈现规律性变化，供暖期土壤温度随之降低，制冷期土壤温度随之升高，恢复期土壤温度逐渐恢复。并且运行孔的土壤温度变化幅度要比非运行孔的土壤温度变化幅度大，受土壤换热特性的影响，非运行孔土壤温度变化具有延迟性，运行孔的地温变化幅度明显大于非运行孔，由于土壤换热的影响，非运行孔的温度最值有一定的延迟性，虽然深度不同的岩土层的温度变化情况存在部分差异，但是整体变化趋势一致，在100 m深度的非运行孔的地温变化幅度非常小，几乎保持不变。

3) 随着系统的运行，土壤平均温度呈上升趋势，产生轻微热堆积情况，但该系统运行状况良好，地温变化未对系统产生重大影响，监测网将持续监测地温变化情况。系统后期运行应加强系统管理，加大生活热水使用量等从而防止产生严重热堆积，导致系统不能正常运行。因为重庆地区存在的冷热负荷不均问题，所以热泵也会存在冷热不均现象，解决此问题的关键在于冬季要充分利用夏季的蓄热。

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