地埋管地源热泵工程运行换热区温度场变化特征分析

梁欣阳，赵雪红，王 青

(1.陕西省渭河生态区保护中心，陕西 西安 710004；2.航天恒星空间技术应用有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

地埋管换热器作为地埋管地源热泵系统的一个重要组成部分，对于地埋管地源热泵系统可靠运行起着至关重要的作用[1]。地埋管换热区地温场的变化特征对地埋管换热器的换热性能影响显著，进而影响热泵系统的能效。国内学者对地埋管换热器及换热器周围地层的进行了研究，提出了设计及运行的参考依据。孙婉等[2]基于上海某地源热泵工程分析了换热区地温场变化特征，得出上海地区地埋管换热对地温的影响半径半径为 6.0～9.0 m，采用调峰策略可保证热泵系统长期高效运行。尚妍等[3]对大连某地源热泵机组进行间歇运行实验，得出地源热泵机组在制热运行模式下采取间歇运行策略能改善土壤温升现象，提高热泵性能系数。

总结发现关中地区地源热泵工程实践中对地温场变化的研究分析较少，制约了地源热泵系统在当地的推广应用。本文以陕西省浅层地热能开发利用示范研究工程为例，对地源热泵系统运行3a的数据进行分析，为上海地区地源热泵系统的设计、运行及相关研究提供指导。

1 研究区特征

1.1 研究区概况

本次研究依托陕西省浅层地热能开发利用示范研究基地，该示范基地建筑面积约为5 200 m2，共计2层，采用地埋管地源热泵空调系统，制冷负荷为230 kW，供暖负荷为285 kW。采用垂直埋管方式，单U型管并联同程的热交换器型式，埋设换热孔数60 个，埋管深度150 m，埋管间距4.5 m，呈长方形布设于示范基地东侧广场下方。

1.2 地质概况

区内地层主要由素填土、粉质粘土、黄土状土、粗砂组成(表1)。155 m以浅地层中粘性土层厚度大，比热容和导热系数均较小，140.7～142.9深度为粗砂，导热系数为1.78 W/m·K，导热性好，单孔换热效率较高，适宜地埋管地源热泵系统的开发利用。

表1 研究区地层特征表

1.3 水文地质概况

研究区处于渭河盆地的开阔地带，地形平坦。区内沉积的巨厚松散层为地下水的储存提供了良好的空间条件，岩性疏松的包气带、充沛的降水及丰富的地表水，均为地下水提供了有利的补给条件和充裕的补给源。

区内200 m以浅的地下水类型主要为潜水和承压水。潜水为松散岩类孔隙水，水位埋深10～30 m，含水岩组为冲积砂砾卵石，厚11.6～45 m，较强富水。承压水为松散岩类孔隙水，水位埋深80～100 m，含水岩组为冲洪积砂砾卵石，厚27～38.55 m，中等富水。区内地下水水位埋深相对较浅，径流速度较快，径流方向是由西南向东北，排泄进入浐河。

2 地温监测系统

2.1 监测孔布置

示范基地共布设12个监测孔，每个监测孔35 m以浅在5 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m处各设置一个监测点，35～155 m每10 m设置一个监测点，每个孔内布设18个监测点，合计216个地温监测点，分为换热孔群内部监测区和换热孔群外部监测区。

内部监测区由2～8号监测孔组成，以2号孔为中心3、6、7、8沿东南-西北向直线展布，各孔间距为0.9 m。 4、5号孔沿西南-东北向直线展布，4号孔与2号孔和4号孔、5号孔间距分别为1.35 m、1.8 m，对换热区内部温度变化进行监测，监测孔布设见图1。

图1 陕西省浅层地热能开发利用

2.2 监测设备

采用单总线式温度传感器监测温度，测量精度为±0.2℃，可自动采集、传输和存储温度数据。

2.3 地源热泵系统运行时段

示范基地地源热泵系统自2017年开始运行，于2018-01-01～2018-03-21对建筑物进行供暖；2018-06-01～2018-09-14对建筑物进行供冷；2018-11-06～2019-03-15对建筑物进行供暖；2019-06-10～2019-07-19对建筑物进行供冷；2019-11-01～2020-01-23对建筑物进行供暖；2020-01-23～2020-11-30热泵系统未运行。

3 温度场特征分析

3.1 地温随时间变化特征

各监测点温度随时间呈波状变化。15 m及以上地层主要受气温影响，15 m以下地层主要受换热器取放热量影响。按照不同区域分析温度变化特征，换热区内不同深度地温监测点2018年1月-2020年11月的温度变化特征见图2。

换热区内监测孔：

1号孔从温度变化趋势上看，15 m及以上的监测点温度随时间变化有明显的波动，15 m以下的监测点温度基本与2018-01-01时间温度一致。从温度波动幅度上看，1号监测孔各深度监测点温度波动特征见表2。

图2 换热区内地温监测孔温度变化特征

表2 1号监测孔各深度监测点温度波动特征

恒温带与增温带监测点温度平均波幅为 0.20℃，小于等于温度传感器监测精度 0.20℃，地温基本未出现波动，可见1号孔受地埋管取放热影响极小，因此其监测数值可代表该地源热泵工程区域温度背景值。

2号孔从温度变化趋势上看可以看出2号监测孔各深度监测点的温度值均随着季节变化有着明显波动，从温度变化趋势上看，波动在2018年和2019年有着明显的周期性，夏季换热器向地层排放热量，各监测点温度最高，冬季换热器吸取地层热量温度最低，而在2020年2月之后，随着地源热泵系统的停用，温度不再波动，温度接近地温背景值。2号监测孔各深度监测点温度波动特征见表3。

2号孔各深度监测点温度波动幅度较大，均值6.85℃，数值较大，与地温背景值对比可看出，2018-2019年孔内换热较大程度改变了地温变化情况，由趋于平稳变为逐年周期性变化。波峰和波谷分别出现在8月和1月，夏季地温升高，夏季中期温度到达最高，冬季地温下降，冬季中期温度到达最低。2018年8月各深度监测点平均温度为22℃，比地温背景值高3.52℃，整个夏季平均比地温背景值高2.18℃，2019年1月各深度监测点平均温度为14.04℃，比地温背景值低4.35℃，整个冬季温度平均比地温背景值2.8℃。

3号监测孔各深度监测点温度波动特征见表4。

表3 2号监测孔各深度监测点温度波动特征

表4 3号监测孔各深度监测点温度波动特征

3号孔各深度监测点平均温度波动幅度约为1.83℃，数值较2号孔减少约4℃，可见距离换热孔0.9 m处地温受换热器影响的程度变小。各深度平均温度与同时期背景监测值相比减少了1.60℃～3.52℃，平均减小2.81℃。

4号监测孔各深度监测点温度波动特征见表5。

表5 4号监测孔各深度监测点温度波动特征

4号孔各深度监测点温度波动幅度小，均值1.29℃，与地温背景值对比可看出，2018-2019年受换热孔换热影响，改变了地温变化情况，由平稳变为逐年周期性变化。波峰和波谷分别出现在10月和4月，夏季地温升高，夏季末达到最高，冬季地温下降，冬季末达到最低，这在时间上和2号孔的波峰波谷时间不一致，分别延迟了2个月和3个月，说明2号孔换取的热量和冷量由换热孔传至地下水流动上游1.35 m的地层分别需要2个月和3个月。2018年10月各深度监测点平均温度为18.64℃，比地温背景值高0.13℃，2019年1月各深度监测点平均温度为17.46℃，比地温背景值低0.86℃，由2018年6月起至2019年5月整个供暖-供冷运行年温度变化为-0.13℃，小于温度监测设备精度，可认为基本无变化。自2020年1月至2020年11月地源热泵系统未运行期间，各深度监测点温度无明显波动，但4号监测孔平均温度与背景监测孔各深度平均温度在各个月份均相差约0.80℃。

5号监测孔各深度监测点温度波动特征见表6。

表6 5号监测孔各深度监测点温度波动特征

5号孔各深度监测点温度波动幅度较大，均值3.00℃，与地温背景值对比可看出，2018-2019年受换热孔换热影响，改变了地温变化情况，由平稳变为逐年周期性变化。波峰和波谷分别出现在10月和4月，夏季地温升高，夏季末温度达到最高，冬季地温下降，冬季末温度达到最低，这在时间上和2号孔的波峰波谷时间不一致，分别延迟了2个月和1个月，说明2号孔换取的热量和冷量由换热孔传至下游1.35 m的地层分别需要2个月和1个月。2018年10月各深度监测点平均温度为19.36℃，比地温背景值高0.85℃，2019年2月各深度监测点平均温度为16.95℃，比地温背景值低1.40℃，由2018年6月起至2019年5月整个供暖-供冷运行年温度变化为-0.23℃，小于温度监测设备精度，可认为基本无变化。自2020年1月至2020年11月地源热泵系统未运行期间，各深度监测点温度无明显波动，但2号监测孔平均温度与背景监测孔各深度平均温度在各个月份均相差约0.70℃。

6号监测孔各深度监测点温度波动特征见表7。

6号孔各深度监测点温度波动幅度较小，均值2.08℃，与地温背景值对比可看出，2018-2019年受换热孔换热影响，改变了地温变化情况，由平稳变为逐年周期性变化。夏季地温升高，夏季末温度达到最高，冬季地温下降，冬季末温度达到最低，这在时间上和2号孔的波峰波谷时间不一致，延迟了1个月，说明2号孔换取的热量和冷量由换热孔传至下游0.9 m的地层分别需要1个月。2020年地源热泵系统停止运行后，各监测孔各月平均温度比背景监测孔低约0.9℃。

7号监测孔各深度监测点温度波动特征见表8。

表7 6号监测孔各深度监测点温度波动特征

表8 7号监测孔各深度监测点温度波动特征

7号孔各深度监测点温度波动幅度较小，均值1.84℃，与地温背景值对比可看出，2018-2019年受换热孔换热影响，改变了地温变化情况，由平稳变为逐年周期性变化。夏季地温升高，夏季末温度达到最高，冬季地温下降，冬季末温度达到最低，这在时间上和2号孔的波峰波谷时间不一致，分别延迟了2个月和3个月，说明地层传输2号孔换取的热量和冷量由换热孔传至下游1.8 m的地层分别需要2个月和3个月。2020年地源热泵系统停止运行后，各监测点各月平均温度比背景监测孔低约0.7℃。

8号监测孔各深度监测点温度波动特征见表9。

8号孔各深度监测点温度波动幅度较小，均值1.76℃，与地温背景值对比可看出，2018-2019年受换热孔换热影响，改变了地温变化情况，由平稳变为逐年周期性变化。夏季地温升高，夏季末温度达到最高，冬季地温下降，冬季末温度达到最低，这在时间上和2号孔的波峰波谷时间不一致，分别延迟了2个月和3个月，说明地层传输2号孔换取的热量和冷量由换热孔传至下游2.7 m的地层分别需要2个月和3个月。

表9 8号监测孔各深度监测点温度波动特征

8号孔2020年地源热泵系统停止运行后，各监测孔各月平均温度比背景监测孔低约0.59℃。

换热区内综合来看，换热区内各监测孔到达波峰波谷时间和温度值均有所差异，为分析换热孔在水平方向对地温的影响，汇总各类数据见表10。

表10 各孔地温变化特征表

从表10中可以看出，换热孔周边的监测孔温度到达波峰的时滞小于到达波谷的时滞，说明地层吸热过程更迅速，吸冷过程较缓慢。波峰持续时间少于波谷持续时间，主要是由于夏季向地层排热时间少于冬季向地层吸热时间。绘制换热区内各个监测孔地温平均值与背景值之差等值线见图3。

图3 2020年各孔地温平均值与背景值之差等值线图

从图3可以看出，距离换热孔即2号监测孔越远，与地温背景值相差越小，地层受换热影响越小。5号和7号监测孔均距离2号孔1.8 m，但是温度差不同，在各自方向上温度梯度也不同，表现为沿地下水流方向的温度差梯度大，垂直于地下水流方向的温度差梯度小，说明地下水流动过程加速了地层温度的变化，使温度梯度加大。

此外，从监测结果还可见，随着地源热泵运行时间的增加，换热影响下的监测孔内变温带各深度地温梯度出现逐渐缩小现象，见表11。1号孔内变温带地温梯度三年未发生变化，2019年与2020年各孔变温带地温梯度基本相同，说明地层受到地埋管换热器吸取/排放热量而产生的温度变化逐渐占据主导。

表11 2018-2020各年间各孔内15 m及以下各深度百米增温率

3.2 地温径向变化特征

综合看各个监测孔平均温度在2018年-2020年的变化趋势，来分析地埋管换热孔对地层的影响范围，各孔平均温度随时间变化曲线见图4。

图4 各孔平均温度随时间变化曲线

可以看出仅有12号孔与地温背景监测值即1号孔孔内各深度平均值随时间变化趋势比较吻合，其余孔曲线均有不同程度波动；并且2018年11月-2019年3月期间，换热孔周围地温波动最大。

从图中曲线走势分析，将整个孔从垂向看做一个点源时，换热孔的影响范围小于3.6 m。

绘制换热区外围各个深度径向地温变化见图5～图7。

图5 换热区外围20 m深度径向地温变化

20 m深度径向变化趋势为由换热孔向外，降温幅度(斜率)逐渐变小，在接近距换热孔3.6 m处，曲线相交，温度由降温变成增温，在图中量算，相交点距离换热孔为3.2 m。说明在距离换热孔3.2 m的地方，温度已经不受换热孔换热影响，而遵循了地层自身的变化规律。

图6 换热区外围50 m深度不同远近地温变化

50 m深度径向变化趋势为由换热孔向外，降温幅度(加速度/斜率)逐渐变小，随着时间曲线在距换热孔3.6 m处接近于汇聚到一点，说明在3.6 m的地方，温度受换热孔换热影响较小。

图7 换热区外围100 m深度不同远近地温变化

100 m深度径向变化趋势为由换热孔向外，降温幅度(加速度/斜率)逐渐变小，同时随着时间，曲线没有在3.6 m汇集在一点，说明在距离3.6 m的地方，温度仍受换热孔换热影响，按照曲线趋势预测，交点预计在3.6～3.9 m之间，故100 m深度影响范围为3.6～3.9 m。

分析得出换热孔在不同深度的影响范围不同，影响半径为3.2～3.9 m。将不同深度的影响半径相连，得到图8所示的锥形，可以看出同一个孔埋深越大，影响范围越大，这是由于下部地层为饱水带，水的流动对热量交换作用较大。

图8 换热孔各深度影响范围示意图

建议综合用地面积和换热孔影响半径来考虑地埋管布局。为了使换热孔之间尽可能不产生相互干扰、叠加换热，建议地埋管间距为影响半径的二倍，即7.8 m。

3.3 地温变化幅度情况分析

各个监测孔地层平均温度代表了地温变化的幅度，见表12。由监测数据可以看出各孔年均降幅多集中在0.2℃以下，小于监测设备精度，该系统持续运行3a地埋管换热器取放热基本平衡，未造成地层热堆积现象，地埋管吸排热量基本平衡。其中2、8号孔年均降幅为0.45℃，这是由于2号孔为换热孔，其对地层换热更多。8号孔位于各换热孔中心位置，受到叠加换热，该处地温变化幅度大。

分析三年的变化可以看出，2020年停止换热后，由于地层未受到夏季排热，地层并没有完全恢复到2018年的温度，说明虽然短期内没有形成冷堆积，但仍要科学制定热泵运行模式，运行高峰时段采取间歇运行、分区运行等措施进行削峰，保持地温基本平衡，以保证地源热泵系统高效运行。

表12 各个监测孔逐年平均温度变化表

4 结语

(1)地埋管地源热泵系统持续运行 3 a，换热区内外土壤温度随时间呈波状变化。其中 5 m 深处的地温受环境温度影响较大，波动幅度最大，其他深处的地温主要受地埋管取放热影响，波动幅度较5 m 深处的小。并且地下土壤温度变化相对于环境温度的变化存在一定的滞后性，其中换热区中心区域土壤温度变化滞后于环境温度变化约为 3 个月。

(2)随着地源热泵运行时间的增加同一监测孔内各深度处的地温梯度出现逐渐缩小现象，从 2018年的3.64℃/百米减至 2019年的2.88℃/百米。这是由于地源热泵系统运行，地埋管换热器不断的向地下土层进行取放热，并且向各深度土层取放热的量基本相等，随着取放热量的累积增加，地层受地埋管换热器取放热影响而产生的温度变化逐渐占主导，因此各深度地层温度梯度逐渐减小。

(3)埋管区周围地温在径向上呈现波状衰减的变化趋势，换热孔处地温波动最大，随着与钻孔距离的增大，温度波动幅度逐步减小。距离换热孔3.9 m处地温几乎无变动，因此本地源热泵系统持续运行 3 a 地埋管换热对地温的热影响半径在3.2～3.9 m。

(4)本地源热泵系统在运行过程中夏季和冬季符合基本相同，因此持续运行 3 a 地埋管换热器取放热基本平衡，未造成地层热堆积现象，运行效果较好。