地埋管热泵系统的地质环境监测

发布网友 发布时间：2022-04-26 21:23

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热心网友 时间：2023-11-04 08:04

监测目的是通过在埋置土壤换热器的地下土壤中布置测温元件来采集其温度场，测得土壤层内温度受土壤换热器、地下水流动以及土壤层热物性等多种因素影响的变化规律，更好地为土壤换热器及地源热泵系统的进一步研究提供可靠的实验依据。

尤其是在大型的综合系统中，通过对地温场的监测，随时掌握地下地温场的变化，分析地温场冬夏季排取热量是否平衡的问题，以合理调节各种设备的运行，使系统真正做到安全、可靠、低能耗运行。

1.理想状态下的监测站

建立一个理想状态下的地源热泵系统监测站，同样也需要全面的考虑各种因素对监测对象的影响，所以监测的范围要广，监测点的数量要多，监测元件的测试精度要高。一个理想状态下的地埋管热泵系统监测站至少要做到以下各项监测：

（1）监测土壤换热器对周围岩土层温度场的影响情况，包括垂直方向以及水平方向。水平方向的研究集中在分析单体土壤换热器的影响半径和土层内的含水饱和度；垂直方向的研究拟在分析不同岩土层对土壤换热的影响上。

（2）研究埋置的所有土壤换热器对整片区域岩土层温度场的影响情况，同样包括垂直方向以及水平方向；

（3）研究地下水流动对土壤换热器换热性能的影响，包括地下水对单体换热器以及全部换热器的换热影响；

（4）通过长期对地埋管热泵系统运行的数据采集与分析，研究地下水流动对土壤换热器周围岩土层夏季蓄热、冬季蓄冷的影响；

（5）监测岩土体恒温层的深度；

（6）监测岩土体冻土层深度；

（7）在室内热泵机组进水口及出水口安装温度及流量装置，长期记录监测数据，用于计算分析地埋管热泵系统换热功效。针对热泵机组安装用电计量装置，评价热泵系统的能效。

图8-5　理想状态下地质环境监测点平面布置示意图

A₁～A₁₀分别沿深度5m、10m、20m、40m、60m、80m、100m和120m布置监测点——温度传感器，共80个。以研究整个地温场区域内不同深度土壤受地源热泵系统长期运行的影响变化。

B₁～A₁₆分别在20m深度处分别布置监测点，间距分别为1m，共16个。以研究埋置土壤换热器区域地温场外围的土壤受地源热泵系统运行长期运行的影响变化。

C₁～C₃分别在20m深度处分别布置监测点，间距分别为1m，共3个。以研究单体土壤换热器在地源热泵系统运行时的影响半径。

在D点处分别沿深度0.5m、1.0m、1.5m和2.0m处布置监测点，共4个。以监测岩土体冻土层深度，确定土壤换热器水平联络管的埋置深度及水平联络管是否需要保温。

整个监测站共需要布置监测点共103个。

2.已建监测站

由于对地埋管热泵系统进行地质环境监测主要是监测一个地埋管热泵系统的运行情况及系统的长期运行对地下温度场的影响变化，所以，建立监测站的前提是必须有长期稳定运行的地源热泵系统。由于已建好的地埋管热泵系统项目的土壤换热器已经实施完毕，无法再重新建立监测站，只能依托待建的地埋管热泵项目建立监测站。

由于待建的地埋管热泵系统项目不能正好有合适的区域实现我们理想的监测站，所以，建立一个上文所述的理想状态下的地埋管热泵系统监测站几乎是没有可能的，只能是选取一例各方面条件都较好的地埋管热泵项目建立一个尽可能完善的监测站。以北京市用友软件园的地埋管热泵项目为例，做一简要介绍。

1）项目概况

用友软件园位于中关村永丰产业基地西南端，东临永丰路，南面是永丰南环路，西靠西滨河路，北与北清路接壤。整个软件园占地面积0.455km²，总建筑面积约40×10⁴m²，分两期建设，一期主要有：1＃研发中心5.5×10⁴m²（其中预留1万m²）、2＃研发中心7.0×10⁴m²（其中预留1万m²）、5＃研发中心4.5×10⁴m²（其中预留0.5万m²）、制餐中心5000m²、交流中心1000m²、员工食堂2000m²、展示中心5000m²和北侧试验楼2000m²，一期总建筑面积18.4万m²，总采暖空调面积近16万m²。

第四系松散层在用友软件园地区山前及平原地区广泛分布，由山区至平原区，地层层次由单一到多层，在山麓地带为块石含粘土层，山前倾斜冲洪积带为粘性土层夹薄砂层，厚度由十几米增至200m。主要岩性为粘土、砂质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂。由于远离河流加之受山前影响，第四系地层总的特征是层数多、单层厚度薄、颗粒细、分选性差。

第四系松散含水层在本区也广泛分布，呈多层潜水—承压含水层分布，含水层的分布具有明显的垂直分带性，该区的含水层主要分布在55m、85m、100m、133m、155m、170m等深度，其静水位约为20m深。区内中细砂以上含水层有4～13层，单层厚度1～6m，累计厚度10～33m。单井出水量约为36～40m³/h，水位降深10～25m。

在该种水文地质条件的地层上埋置岩土体换热器，由于垂直上有多层含水层分布，会显著增强土壤换热器的换热效果。但由于地层颗粒细，如果采用地下水热泵系统，必然会造成回灌的困难，所以不适合实施存在抽取和回灌地下水的地下水热泵系统，而更加适合实施埋置土壤换热器的地源热泵系统。

本项目的热泵技术采用垂直埋管方式的地源热泵系统，一期共埋置土壤换热器630个。

岩土体换热器共分4个区域布置，如图8-6所示，岩土体热器的总数量为616个，选取A区域进行布置监测点并建立监测站。

2）地质环境监测点的布置

（1）地质环境监测点平面布置：

北京地下水流动方向基本为北西/南东，因此为考察土壤换热器群区域地温场受多种因素影响情况，拟在地下水流动上游方向、中游方向以及下游方向布置温度测点。具体布置见图8-7。字母标注的位置A、B、C、E、G、H和I均沿垂直方向布置一组测温元件（25m、40m、60m、80m、100m以及120m），F处按照地层结构布置测温元件。A、E、F和G均沿单孔孔壁布置，D和H在土壤换热器群外单独打观测孔进行布置。

选取土壤换热器群中心A点处土壤换热器为研究对象，分析不同方向且距离不同的两个土壤换热器之间对周围地温场的影响情况。单孔A以及其相邻的单孔B、C位置如图8-8所示。

图8-6　用友软件园地源热泵系统土壤换热器平面布置图

图8-7　用友软件园地源热泵系统地质环境监测点平面布置图

在孔壁处沿深度方向25m、40m、60m、80m、100m以及120m布置一组测温元件，在25m深处A与B、C两孔之间水平布置两组测温元件。具体布置见图8-12所示，图8-9示意的是单孔A沿深度方向以及水平方向与单孔B之间布置的测温元件位置，在A与B水平布置的7个测点当中，测点4位于A、B中心，1与7测点分别置于A、B孔壁处，2与6测点分别距离1、7测点1m,3与5分别置于2、4和4、6中点。

图8-10示意的是单孔A沿深度方向以及水平方向与单孔C之间布置的测温元件位置，在A与C水平布置的9个测点当中，测点5位于A、C中心，1与9测点分别置于A、B孔壁处，2与8测点分别距离1、7测点1m,3与7测点分别距离2、8测点1m,4与6测点分别距离3、7测点1m。

图8-8　单孔A、B、C位置示意图

图8-9　单孔A沿深度以及水平方向和B点布置示意图

本区第四系较厚，岩性颗粒较细，主要以多层的细砂、粘砂、粉细砂为主。为了研究土壤换热器对不同地层结构的影响，在F点根据地层的分布情况不同，布置一组共5个测温元件，具体情况见图8-11。

图8-10　单孔A沿深度以及水平方向和C点布置示意图

为了监测岩土体冻土层深度，确定土壤换热器水平联络管的埋置深度及水平联络管是否需要保温，在D点位置沿深度方向0.5m,1.0m,1.5m,2.0m处布置测温元件。

为了研究埋置土壤换热器区域地温场外围的土壤受地源热泵系统运行长期运行的影响变化，在H点处沿深度方向25m、40m、60m、80m、100m以及120m布置一组测温元件。

（2）地质环境监测点立面布置示意图。

3）测温元件数量统计

（1）A、B、C、E、G和H分别沿深度25m、40m、60m、80m、100m、120m布置测温元件，共36个。

（2）A与B在深度25m处沿水平方向布置5个测温元件，A与C在深度25m处沿水平方向布置7个测温元件，共12个。（3）D点处沿深度0.5m、1m、1.5m、2m布置测温元件，共4个。（4）F点处按地层结构布置测温元件，共5个。（5）测温元件的总量为57个。

图8-11　单孔F根据地层结构的布置示意图