地埋管换热器地温监测系统补建实例及测试数据分析

姚木申 蔡芸 卢宝 赵苏民

摘要 针对天津市某地源热泵项目补建了一套地温监测系统，获得了各监测点温度变化数据，并进行了全年变化规律分析。结果表明，地温监测线在增加保护套管后，其短期变化负荷作用下的温度数值与换热管壁相比存在一个相对固定的偏差，通过必要的数据修正，并不影响地温监测的可靠性。热影响半径与土壤热物性和运行负荷强度密切相关，而本文运行条件下热影响半径在1～1.5 m之间。背景地温监测孔与换热孔群外边界的距离建议大于15 m，以减小孔群换热对数据的干扰。

关 键 词 地源热泵;地温监测;热影响半径;背景地温

中图分类号 TU83     文献标志码 A

Abstract A ground temperature  monitoring system is reconstructed for a practical ground source heat pump system in Tianjin. Annual variations of ground te mperatures at different positions and depths are obtained and analyzed. Test results show that after adding protection tubes for  monitoring lines， their short-period temperatures under thermal loads obviously deviate from the temperatures at the pipe walls， but such a relatively fixed deviation does not affect the reliability of  monitoring ground temperatures after some necessary data  modification. Thermal influencing radius （TIR） of ground heat exchangers （GHEs） depends  mainly on the ther mal properties of surrounding soils and the intensity of operating loads， and the TIR ranges from 1 to 1.5 m under the present operating conditions. It is recommended that the distance between the  monitoring borehole of ground temperature and the outer boundary of heat exchange pipe groups should be greater than 15 m， in order to reduce the possible disturbance by the heat transfer of GHEs.

Key words ground source heat pump;  monitoring of ground temperature; thermal influencing radius; background ground temperature

近年来，随着地源热泵技术的迅猛发展，大量地源热泵项目不断投入运行，地源热泵项目呈现规模大、数量多、分布广等特点。但是，实际运行的地源热泵项目是否节能，具体节能效果如何，地埋管换热器周围岩土体温度分布变化究竟怎样？这一系列问题都需要通过实测的运行数据来分析，而运行数据的获取则需要良好的動态监测系统来完成[1]。实际调研表明，由于建设成本、周期或其他方面等原因，许多地源热泵项目初建时并未安装动态监测系统，其中还有一些地温监测传感器及线缆由于长期处于潮湿、腐蚀环境而出现损坏，这给地源热泵项目的运行管理带来很大不便。为解决这些问题，需要对已投用的地源热泵项目进行动态监测系统补建或修复，以保证系统运行管理、节能评价、地质环境影响分析等工作需要。在地温监测系统建设与运行分析方面，前人开展了不少研究工作。例如，文献[2-4]分别对不同气候、不同地区、不同类型地源热泵系统的地温监测数据进行了分析，得到了一些系统长期运行的地温变化特征。本文拟以天津地区某建筑的地埋管地源热泵为例，开展地温监测系统补建与测试数据分析，旨在为以后类似情形下的地源热泵系统工程建设、运行评价与节能管理等工作提供一定的参考借鉴。

1 地温监测系统建设

1.1 基本概况

该地源热泵项目位于天津市市区东北部，总建筑面积为934 m2。热泵机组的总制冷量和总制热量分别为99.0 kW和101.5 kW。地源侧采用垂直地埋管换热器，共计21组，其中不同深度，不同形式的地埋管共计11组，分别单独进入分、集水器;另10组120 m双U地埋管同程布置后共用一根供水管和一根回水管进分、集水器。由于地埋管施工时场地紧张，故10组120 m双U及单独连接的1组120 m单U和1组120  m双U均布置于建筑基础下，各管路均运行正常。

现场勘查以及地质资料表明[5]，该项目区域浅层地质条件稳定，第四系地层沉积厚度约为300 m，岩性比较单一，主要包括粘土、粉质粘土、粉砂、细砂、粗砂互层等类型。

1.2 补建方案设计

由于原有地温监测线直接埋于地下，不能进行修复或更换，所以计划重新补建换热孔及地温监测孔。结合项目实际情况，若在原有监测孔位置进行重新布线会存在问题：1）原有钻孔具体位置不能精确确定，这将造成新建热影响半径监测孔孔距不准确;2）钻进施工中原有测线或PE管存在缠绕钻头的可能，造成施工困难。综合以上两点原因，最终选择停车场区域（距热泵机房40 m），重新补建两组地埋管换热器并与原有管路系统进行连接，并在该新建换热孔周围进行热影响半径监测传感器及线路布置。

2.3 背景地溫数据分析

浅层地温场的垂向分布通常可分为3个区域：变温层、恒温层和增温层。根据经典热传导理论，若岩土层的平均热扩散系数取0.6 × 10-6 m2/s，地温日波动的影响深度为0.6 m，而年波动的影响深度可达10 m。因此，在此深度以下至恒温层范围内，地温传感器宜加密布置，以便较准确掌握变温层、恒温层和增温层的分界位置;对于增温层，由于第四系地层岩性的相对单一性且温度分布波动不大，地温传感器间距可以适当增大，以减少监测系统成本。

图8给出了本例中背景地温监测数据的典型变化曲线。结果表明，在0～12 m深度范围内，地温的季节性变化非常明显;恒温层范围大致为30～58 m，地温常年维持在14.3℃左右（高出当地年平均气温约2 ℃）;恒温层以下，地温基本呈线性增加趋势，平均温度梯度为2.33 ℃/100 m，其中100 m和150 m深度的地温分别为15.4 ℃和16.5 ℃。

背景地温监测孔的深度宜略大于工程用地埋管换热器的最大深度，同时还需考虑浅层地温能的基本定义（200 m以浅）。此外，结合上述分析，考虑不同建筑负荷特征及岩土体热物性参数等因素，背景地温监测孔应布置在地埋管换热孔群边缘一定距离，以避免管群换热干扰背景地温数据。按照2.2节恒定热流的假定计算的热作用半径结果相比实际情况偏大，它仅仅反映了热影响范围的极限情况，从背景值监测孔监测意义及受孔群影响的可能性考虑，而将此值作为监测孔间距的参考依据，并考虑不同地层岩性差异性，故上述距离不宜低于15 m。需要特别说明的是，全年冷热负荷差异较大、地下水径流较强等情况，还应结合具体工程情况来合理设计距离。

3 结论

1） 该补建的地温监测系统方案可行，对未进行地温监测线安装或监测线损坏不能直接修复的已建地源热泵工程地温监测建设具有一定借鉴和指导意义。

2） 地温监测线外增加保护套管在短周期的变化负荷作用下的温度数值相比换热管壁存在一个相对稳定的偏差，通过数据修正，并不影响地温监测的可靠性。

3）热影响半径与土壤热物性、负荷强度、运行时间等有密切关系。随着负荷持续，热影响半径不断增大，离换热器越远，变化越缓慢和微弱。工程上进行孔间地温监测时应考虑测点位置温度的叠加影响。

4）为减弱孔群换热对背景值监测的影响，监测孔距离换热孔群外边界距离建议大于15 m为宜。

参考文献：

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