典型地埋管系统模拟工况地温场特征研究

杨露梅，鄂 建，朱明君，陈明珠，魏永耀

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 江苏 南京 210018)

典型地埋管系统模拟工况地温场特征研究

杨露梅1,2，鄂 建1,2，朱明君1,2，陈明珠1,2，魏永耀1,2

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 江苏 南京 210018)

地埋管热泵是开发利用浅层地温能的一种方式，土壤温度场在地源热泵运行前后的分布情况，是地埋管热泵计中考虑的重要因素。文章在南京典型地埋管热泵工程布设监测孔，分别在能源桩和距离能源桩1.2 m、2.1 m、3 m处不同层位埋设监测设备，分析地温场的时空演变规律，得到热量的传递情况和温度的变化规律，并采用多元回归分析方法拟合地温场的变化方程，得到了能源桩地温随时间和深度的变化方程以及地温随时间和距离的变化方程。结果显示，随着距能源桩水平距离的增加，温度变化减小；随着深度的增加，土壤温度的影响范围减小，热量传递速率逐渐降低。

地埋管热泵；地温场；多元回归

地埋管热泵是开发利用浅层地温能的一种方式，是利用岩土中储存的能量作为冷热源的一项热泵技术。它通过循环液在封闭的地下埋管中流动,实现系统与大地之间的传热[1]。地埋管热泵工程中，土壤温度场分布状况十分重要，只有充分了解土壤温度场在地源热泵运行前后的分布情况，才有可能设计出最优的地下埋管换热器、埋管形式、埋管间距、数量以及布局[2]。地源热泵系统地温场研究多采用数值分析方法，实验研究相对偏少，由于数值模型的局限性及随机因素影响，结果存在误差[3～6]。本文在实际地埋管热泵工程布设监测孔，选取不同的监测距离和监测层位，分析地温场的时空演变规律，同时基于监测数据，采用多元回归分析方法拟合地温场的变化方程，为地埋管的设计和工程研究提供科学依据[7]。

1 典型地埋管系统模拟工况基本情况

典型地埋管热泵工程分布于南京长江冲积平原地貌单元，场地潜水稳定水位埋深1.31～4.55 m，初见水位埋深1.03～2.15 m。能源桩为某地块中3号楼的抗拔桩，是混凝土灌注桩，桩顶埋深14 m，桩长44 m，直径1 m[8]。该桩2012年3月初施工，桩内埋设的是3U型HDPE换热管，并且已埋设PT100温度传感器。为了监测能源桩运行时温度场的变化特征，布设了3个监测孔进行监测，分别是1#孔、2#孔和3#孔，与能源桩的距离分别为1.2 m、2.1 m、3 m。监测孔内传感器布置的原则是：每个地层交界面布置一个温度传感器，大于10 m的地层中间补充一个温度传感器。按照这个原则，每个监测孔布置PT100温度传感器情况详见图1，各地层的热物性参数见表1。

图1 监测孔及传感器布设图Fig.1 Observation wells and the layout of temperature sensors

岩土名称平均含水率/%密度/(g·cm-3)导热系数/(W·m-1·K-1)比热/(J·g-1·K-1)导温系数/(m2·s-1)杂填土27.61.860.561.622.43淤泥质粉质黏土37.81.81.711.896.48粉质黏土29.82.11.721.715.98粉细砂19.91.981.821.438.32

能源桩地源热泵从2013年1月6日开始进行恒定温度的连续热响应试验，进水温度恒定在40 ℃，进水口流量为1.2～1.3 m3/h，运行至2013年3月，但2月7日后热响应仪器及加热器均出现问题，因此取1月6日—2月7日的数据。传感器埋设后，在运行过程中有小部分传感器出现故障，导致监测孔一些深度无监测数据。具体是2#监测孔深29.5 m处无监测数据，3#监测孔深15.5 m处无监测数据。

2 地温场时空变化特征分析

2.1 不同深度能源桩及监测孔温度变化特征

选择2013年1月6日—2月7日共33天，能源桩及1#、2#、3#监测孔各深度每天整点温度场监测数据，全面反映热泵模拟工况运行各深度土壤温度横向变化。

从图2可以看出，通过模拟工况一个月的运行，能源桩各深度土壤温度一直处于上升趋势，前6天上升速度较快，从1月12日开始趋于平缓；升幅都较大，在11～17 ℃之间。其中深15.5 m处升幅最大，深36.5 m处升幅最小。

1#监测孔自模拟工况开始运行后，温度处于缓慢上升中，升幅在1.5～4.8 ℃之间，其中深15.5 m处升幅最大，深42.5 m处升幅最小。

与1#监测孔相比，2#监测孔温度上升的幅度稍小一些，升幅在0.4～2.2 ℃之间，其中深15.5 m处升幅最大，深42.5 m处升幅最小。

3#监测孔温度一直在18.7～19.4 ℃区间内波动。1月6日～1月23日，3#监测孔42.5 m处温度均值基本无变化，大约为19 ℃；而自1月24日开始，3#监测孔的42.5 m处温度均值就处于19.2 ℃，至2月7日，温度均值大约为19.4 ℃。与此处原始地温相比，上升了约0.4～0.6 ℃。因此，模拟工况系统连续运行1个月，对距离3 m左右的土壤温度只产生了较微弱的影响。

从3个监测孔温度曲线对比可以得出，模拟工况热泵系统连续运行1个月，对距离能源桩3 m以内的土壤产生了一定的影响，距离能源桩越近土壤温度产生的变化越快，距离能源桩越远土壤温度产生的影响越小，而对距离3 m以外的土壤温度产生的影响较微弱。

2.2 随时间推移不同监测孔土壤温度变化特征

图2 模拟工况一个月后能源桩及监测孔不同深度温度变化Fig.2 The ground temperature variation of the bored concrete pile and observation wells at different depth of after 1 month simulated conditions

选择模拟工况热泵开始运行至结束每隔5天所有深度的温度监测数据，从宏观上分析土壤温度在横向及纵向的变化情况。

从图3可以看出，夏季模拟工况自运行开始至结束，能源桩监测孔的温度出现了很大的波动。从运行开始，能源桩各深度管壁周围土壤温度急剧升高，随着运行时间的推移，各深度的温度也一直处于升高的趋势。通过一个月的运行，能源桩各深度温度大部分上升了11～17 ℃。

表2 能源桩温度分布情况

图3 模拟工况运行期间能源桩周围土壤温度随深度变化Fig.3 The ground temperature variation of the bored concrete pile during the period of simulated conditions

从图4可以看出，夏季模拟工况自运行开始至结束，1#监测孔的温度出现了一些波动，随着运行时间的推移，1#监测孔各深度土壤温度都在逐渐增加。通过一个月的模拟运行，1#监测孔各深度温度上升了1.5～4.8 ℃，随着深度的增加，温度的增加减小。

从图5可以看出，夏季模拟工况自运行开始至结束，2#监测孔的温度也出现了一些波动，随着运行时间的增长，2#监测孔各深度土壤温度都在逐渐增加。通过一个月的模拟运行，2#监测孔各深度温度上升了0.4～2.2 ℃，且随着深度的增加，温度的增加减小。

表3 1#监测孔温度分布情况

图4 模拟工况运行期间1#监测孔土壤温度变化Fig.4 The ground temperature variation of the observation well 1 during the period of simulated conditions

从图6可以看出，夏季模拟工况自运行开始至结束，3#监测孔的温度只出现了较小的波动，而且随着运行时间的推移，3#监测孔各深度土壤温度也都呈现逐渐增加的趋势，只是土壤温度增加值较小。通过一个月的模拟运行，3#监测孔各深度温度上升了0.4～0.6 ℃，由于温度升高较小，所以在深度方向上的温度升高趋势不明显。

表4 2#监测孔温度分布情况

图5 模拟工况运行期间2#监测孔土壤温度变化Fig.5 The ground temperature variation of the observation well 2 during the period of simulated conditions

深度/m1222.529.536.542.5原始地温/℃19.1518.8319.4918.7318.951月6日地温/℃18.9419.0119.5918.8318.921月10日地温/℃19.0719.0619.5418.8118.971月15日地温/℃19.0719.2919.6418.8919.181月20日地温/℃19.2319.4219.8719.1719.051月25日地温/℃19.2819.3719.8219.0919.231月30日地温/℃19.3619.7320.1519.5819.182月7日地温/℃19.5119.4219.9519.2719.38

图6 模拟工况运行期间3#监测孔土壤温度变化Fig.6 Ground temperature variation of the observation well 3 during the period of simulated conditions

根据图2～6各监测孔土壤温度变化图，绘制ΔT=0热量传递及温度变化边界图(图7)，可以得出随时间推移不同深度土壤温度的影响范围。

从图7可以看出，模拟工况运行之后，在深15.5 m处热量传递速度最快，42.5 m处热量传递速度最慢；系统运行20 d，深15.5 m处热影响范围到3 m，深42.5 m处热影响范围到1.8 m。从图上可以很直观地看出，随着深度的增加，地下土壤温度的影响范围减小，热量传递速率逐渐降低。

图7 ΔT=0热量传递及温度变化边界Fig.7 The boundaries of heat transfer and ground temperature variation when ΔT=0

从图7还可以看出，各监测孔的温度传感器主要埋设在淤泥质粉质黏土层、粉质黏土、粉细砂土层中及各土层分界处。淤泥质粉质黏土层(导热系数为1.71 W/(m·K)，比热为1.89 J/(g·K)，导温系数为6.48 m2/s)与粉质黏土层(导热系数为1.72 W/(m·K)，比热为1.71 J/(g·K)，导温系数为5.98 m2/s)相比导热系数基本相同，淤泥质粉质黏土导温系数较大，所以淤泥质粉质黏土热量传递速度快，影响范围大；粉细砂层(导热系数为1.84 W/(m·K)，比热为1.44 J/(g·K)，导温系数为8.39 m2/s)与粉质黏土层、淤泥质粉质黏土层相比导热系数最大、导温系数最大、比热最小，理论上粉细砂层热量传递速度最快，影响范围最大，但从实际监测结果来看，粉细砂层热量传递速度最慢，影响范围也最小，这可能是因为该层为能源桩的底部，桩埋管换热性能好，热量在桩内传递快，而桩外的土壤导热性相对桩埋管较差，能量传递慢，故而导致热量堆积[9～11]。

为直观反映夏季模拟工况结束时各深度与原始土壤温度的温差特征，利用能源桩及1#、2#、3#监测孔深15.5～42.5 m的土壤温差数据，建立温差等值线图(图8)。

图8 夏季工况结束时土壤温差等值线图Fig.8 The contour lines of the ground temperature difference at the end of the summer operational condition

从图上可以看出：(1)能源桩附近的土壤温度上升得最高，且呈随着距能源桩水平距离的增加，温度变化减小的规律；(2)以土壤温度上升1 ℃为界，夏季模拟工况运行一个月，在深15.5 m处，对土壤温度的影响范围为2.5 m；在深36～42.5 m处，对土壤温度的影响范围为1.4 m；所以在深15.5～42.5 m水平距离0.5～3 m范围内，呈现随着深度的增加温差逐渐缩小的规律。

总地来看，土壤温度的变化呈现一个漏斗形状，随着距能源桩水平距离的增加，温度变化减小；随着深度的增加，土壤温度影响范围减小。

3 地温场变化的多元回归分析

从以上的分析可以得到，地温在垂向上的变化主要受时间、深度及岩性的影响，平面上的变化主要受时间及与能源桩的距离的影响。垂向上选择时间t和深度s作为自变量，采用多元回归分析模拟能源桩地温T1的变化情况；平面上选择时间t及与能源桩的距离t作为自变量，采用多元回归分析模拟22.5 m深度地温T2在平面上的变化情况。采用SPSS软件进行回归分析，得到：

(1)

(2)

式中：T1——能源桩地温/℃；t——时间/h；s——深度/m；T2——22.5 m深度地温/℃；x——与能源桩的距离/m。

式(1)和(2)的方差分析数值见表6，显然回归方程是显著的。

由图9～10可以看出，能源桩29.5 m深度地温实测值和拟合值比较吻合，同样2.1 m处2#监测孔22.5 m深度地温实测值和拟合值也比较吻合。观察折线图，通过对比可检验模型的有效性，所拟合的回归式(1)和(2)基本合理可靠。南京夏季工况时间一般为

表6 方差分析数值表

图9 地温实测值和拟合值对比Fig.9 Comparison of the measured value andfitted value at the depth of 29.5 of the bored concrete pile and 22.5 m of the observation well 2

120 d，按照式(1)，可以得到夏季工况结束时，能源桩29.5 m深度温度为37.80 ℃。

4 结论

(1)模拟工况热泵系统连续运行1个月，对距离能源桩3 m以内的土壤产生了一定的影响，能源桩温度最大升幅达到17 ℃，而距离能源桩3 m处温度最大升幅为0.6 ℃，距离能源桩越近土壤温度产生的变化越快，距离能源桩越远土壤温度产生的影响越小，而对距离3 m以外的土壤温度产生的影响较微弱，在埋管设计中选择埋管间距大于3 m，埋管间的热影响较小。

(2)土壤温度的变化呈现漏斗状，随着距能源桩水平距离的增加，温度变化减小；随着深度的增加，地下土壤温度的影响范围减小，热量传递速率逐渐降低。

(3)采用SPSS对地温随时间和深度的变化，以及地温随时间和与能源桩距离的变化进行多元回归，得到能源桩地温拟合方程和22.5 m深度地温拟合方程。

[1] 张鑫.垂直式地埋管换热理论及岩土热物性参数试验方法[D].西安: 长安大学,2012.[ZHANG X. The theory on heat transfer of vertical ground heat exchanger and the test method for parameter of the rock-soil thermal properties[D]. Xi’an: Chang’an University, 2012. (in Chinese)]

[2] 郎林智, 段新胜, 陈鹏宇. U型埋管传热数值模拟及恒热流模型分析[J]. 山东建筑大学学报, 2010, 25(5):539-542.[LANG L Z, DUAN X S, CHEN P Y. Numerical simulation of U-tube and analysis of constant heat flux models[J]. Journal of Shandong Jianzhu University, 2010, 25(5):539-542. (in Chinese)]

[3] 刘爱华，佟红兵，冉伟彦.北京某垂直地埋管区地温场变化规律研究[J]. 水文地质工程地质,2016, 43(4):165-170. [LIU A H, TONG H B, RAN W Y. A study of ground temperature changes in a vertical heat exchanger area of Beijing[J]. Hydrogeology & Geology Engineering, 2016, 43(4):165-170. (in Chinese)]

[4] 王华军, 赵军, 沈亮.地源热泵系统长期运行特性的实验研究[J].华北电力大学学报, 2007, 34(2):52-54. [WANG H J, ZHAO J, SHEN L. Experimental investigation on long-term performance of groundsource heat pump system[J]. Journal of North China Electric Power University, 2007, 34(2):52-54. (in Chinese)]

[5] 纪世昌,胡平放.U型垂直埋管周围土壤温度场的数值模拟[J].制冷与空调,2007,7(2):55-58.[JI S C, HU P F. Numerical simulation on ground temperature field around U-vertical buried pipe[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2007, 7(2):55-58. (in Chinese)]

[6] 曾宪斌.地源热泵垂直 U 型管换热器周围土壤温度场数值模拟[D]. 重庆: 重庆大学, 2007.[ZENG X B. Numerical simulation on soil temperature field around verticalU-tube heat exchange used in ground source heat pump[D]. Chongqing: Chongqing University, 2007. (in Chinese)]

[7] 刘红卫,徐贵来,张晴,等.回归分析在地源热泵系统地温场研究中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(4): 512-515. [LIU H W, XU G L, ZHANG Q,etal. The application of multiple regression analysis in the geothermal field[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2009, 6(4):512-515. (in Chinese)]

[8] 李新国, 陈志豪, 赵军,等. 桩埋管与井埋管实验与数值模拟[J]. 天津大学学报, 2005, 38(8):679-683. [LI X G, CHEN Z H, ZHAO J,etal. Experiment and numerical simulation on u-vertical ground coupled heat exchanger with sandstone and cement backfills[J]. Journal of Tianjin University, 2005, 38(8):679-683. (in Chinese)]

[9] 赵海丰, 唐荣彬, 桂树强,等. 双U型埋管能源桩桩周岩土体温度场分布特征试验研究[J]. 土木建筑与环境工程, 2016, 38(5):157-163. [ZHAO H F, TANG R B, GUI S Q,etal. Experimental analysis of ground temperature distribution of double-U type energy piles[J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2005, 38(5):157-163. (in Chinese)]

[10] 张春雷.U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D]. 天津：天津大学, 2005. [ZHANG C L. Study on the system performance of U-type ground source heat pump and ground temperature field[D]. Tianjin: Tianjin University, 2005. (in Chinese)]

[11] 孙婉, 周念清, 黄坚,等. 地源热泵夏季运行地温场变化特性试验研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2016, 44(7): 1101-1106.[SUN W, ZHOU N Q, HUANG J,etal. Experimental study on ground temperature change characteristics of ground-source heat-pump system running in summer[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2016, 44(7): 1101-1106. (in Chinese)]

Characteristics of the ground temperature of the typical Ground-Source Heat Pumps system in Nanjing

YANG Lumei1, 2, E Jian1, 2, ZHU Mingjun1, 2, CHEN Mingzhu1, 2, WEI Yongyao1, 2

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018,China; 2.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing,Jiangsu210018,China)

Ground-Source Heat Pumps (GSHP) are often used to exploit the shallow geothermal energy.The designer of GSHP should take into account the variation of the ground temperature field after the operation of GSHP. In this manuscript, in order to analyze the spatial-temporal evolution of the ground temperature field, the bored concrete pile with GSHP and three observation wells (1.2 m, 2.1 m, 3 m) were all equipped with temperature sensors. The results demonstrate that the variations in temperature are smaller with the increasing of the horizontal distance from the bored concrete pile; the influence range of the underground soil temperature decreases and the heat transfer rate gradually decelerates as the increase of the depth. The variation equation of ground temperature with time and depth of energy pile and the change equation of ground temperature with time and distance were obtained by multiple regression analysis.

ground-source heat pumps (GSHP); the ground temperature field; multiple regression

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.27

2016-10-08;

2017-01-12

中国地质调查局项目(12120114022001)；全国地热资源调查项目(1212011120155)

杨露梅(1987-)，女，硕士，工程师，主要从事地热方面的研究。E-mail:yanglumei2003@aliyun.com

P314.3

A

1000-3665(2017)02-0178-06