浅谈地埋管式浅层地温能地温场温度监测方法

摘要： 通过建立垂直和水平方向的监测孔完成地温场温度监测系统，对地温场进行长期温度监测，

监测地温能利用系统地温能的能量堆积或削减效应，为地源热泵工程系统运行提供地温场变化参数，为合理优化系统运行方案提供依据。

关键词 浅层地温能＋地埋管式＋地温场温度监测

中图分类号：P258 文献标识码：A

1前言

浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。浅层地温能资源是清洁、可再生能源，所以开发利用浅层地温能资源是保障国家能源安全的必要选择，是确保我国能源结果调整的需要，是实现节能、减排战略目标的重要手段。浅层地温能经过一个冬季的连续开采利用后，在换热区域内造成了局部地温场异常，存在一定的热亏损。由于异常与周围正常地温存在一定的地温梯度，因而产生恢复性热流，这种热流可在其它两个非使用季节使换热区的热亏损得到自然补充，逐步恢复到平衡状态，使开发利用工程年内总的热开采量和补充量基本达到平衡。所以，浅层地温能在季节性利用后，可通过自然和人工补给或冬、夏两个季节的反向温差利用后，基本保持地温场的动态平衡，从而可长期循环再生、重复利用。

浅层地温能开发利用工作是一个综合技术性较强的系统工程，它涉及建筑学、水文地质学、传热学、流体力学、计算机与自动控制等多学科的相互交叉与配合。只有通过科学合理的土壤热特性测试、浅层地温能勘查、系统优化设计、严格规范施工，才能够达到地源热泵系统的整体优化和高效节能的目的。

虽然浅层地温能开发利用有了一定的规模，但人们对浅部土层的热物性特征、热泵系统长期运行引起的埋管区及周边地区温度场变化、地源热泵系统设计应遵循的技术标准缺乏系统认识。由于缺乏对地埋管式地源热泵系统相关数据的动态监测，无法估计浅层地温能开发对地质环境和温度场的影响。建立长期动态监测系统，以便今后进行地温场动态监测，监测系统运行是否会对地温场环境造成不良影响，为地源热泵工程系统运行提供地温场变化参数，为合理优化系统运行方案提供依据。

2 地温场温度监测系统

（1）地温场温度监测系统工作原理

地温传感器通过测温井口附近设置的变送器模块箱引线至空调机房温度采集箱内的温度采集模块，然后通过通讯卡将温度数据传入工控机。

（2）地温场温度监测系统布设方案

结合某实际工程建立浅层地温能监测系统，进行利用场地范围内的地温监测。通过监测了解夏季蓄热、冬季蓄冷状况下地埋管式换热系统对周围土壤温度场的影响。为浅层地热能长期可持续利用提供数据支持。浅层地温能利用地埋管换热系统地温场监测孔布设方案如下：

①监测孔布置（共埋设温度传感器62个）见图1

垂直方向共布置8个监测孔，孔号A、B、C、D、E、F、G、I，I孔深度80m，其余孔深140m。布置6个监测孔形成一监测剖面，方向为地下水流动方向，孔号A、D、E、F、G、I。D孔位于换热孔影响区域以外，作为背景值对比孔。在换热孔集中分布的中心地带布置2个监测孔B、C。

水平方向共布置4个监测孔，孔深度为25m，分别在A孔和C孔、A孔和B孔之间，孔号AC1、AC2、AC3、AB1。

图1 监测孔内温度传感器埋设位置剖面图

②垂直方向监测孔内温度传感器埋设方案（共58个）

根据相关资料按监测孔的功能不同温度传感器埋设深度方式不同。按其特征分为一般监测孔及特征监测孔。

一般监测孔：即监测不同地点同一深度温度的监测孔，孔号B、C、E、G，共4个孔，分别在25m、40m、60m、80m、100m、120m、140m埋设温度传感器（共28个）。

E孔、G孔为监测剖面两端的监测孔。换热孔间距5×5m，呈正方形网格状分布。B孔距A孔为5m，A孔、B孔分别为正方形一条边上的两个端点。C孔距热响应试验A孔为7.07m，A孔、B孔分别为正方形对角线上的两个端点。B孔、C孔和A孔分别组成不同的正方形。

特征孔：根据不同特征设置的监测孔，孔号为A、F、I、D。

A孔，监测剖面的中心位置，在深度10m、20m、25m、40m、60m、80m、100m、120m、140m埋设温度传感器。（共9个）

F孔, 岩性特征孔，按岩性特征变化布设温度传感器，监测不同岩性的地层的温度变化，可以分析地温场温度变化受地层岩性不同的影响和受深度变化的影响的结果，分别在深度25m、50m、75m、90m、100m、110m、130m埋设7个温度传感器。（共7个）

I孔,为4个地埋管组成的正方形的中心位置，为地温场变化最脆弱的部位，如果此处地温产生了变化，则代表地埋管的全部场地都受到了温度的影响。在25m、40m、60m、80m埋设温度传感器。（共4个）

D孔，位于换热孔影响区域以外，作为背景值孔，用于地温场背景值的监测，与换热孔区域内的监测孔的监测值进行对比，分析地温场的温度变化，分别在0.5m、1m、2m、25m、40m、60m、80m、100m、120m、140m埋设温度传感。（共10个）

③水平方向（共4个）

水平方向埋设温度传感器，埋设在相邻两个换热孔的中间位置，如果中间位置的地温场温度受到了影响，既相邻两换热孔相互影响。视两相邻换热孔具置距离，合理埋设温度传感器。

在A孔、C孔之间布设监测孔3个（孔号：AC1、AC2、AC3），深度25m处埋设温度传感器（共3个）。

在A孔、B孔之间布设监测孔1个（孔号：AB1），深度25m处埋设温度传感器（共1个）。

（3）地温场温度监测系统建立

①监测孔施工

监测剖面中心A孔孔深145m，孔径300mm。一监测B孔深度为140m，地埋管组成的正方形的中心位置I孔孔深80m，孔径均200mm。水平监测孔,AB1孔、AC1孔、AC2孔、AC3孔深度均为25m，孔径200mm。其它测温井利用工程中地埋管换热孔。

②温度传感器埋设

把温度传感器用胶带捆绑在换热管上（换热管材质为PE管，采用双U型设计），然后利用镀锌钢管穿在双U型换热管的中间位置，把换热管和温度传感器下到测温孔内。在下入温度传感器的测温孔中注入水泥灰浆，以此保护温度传感器不被腐蚀，增加温度传感器的使用年限，另外也防止咸水下移污染深层淡水，防止咸水和深层淡水串通，起到保护深层淡水的目的。

③水平通讯线连接

水平通讯线埋至地下1.6m深处，穿管以保护通讯线不被破坏，汇总至检查井，连接至机房。

④数据采集设备安装

用有线传输和温度数据采集器来实现，埋设温度传感器连接数据采集箱，传输到室内接收机，可以读取测定电阻率值换算成的温度数值，数据采集模块、数据采集电脑均安装在机房内。

采集到的数据储存到数据库中，地温为缓变的动态，时间间隔采用1小时。运用分析软件，利用数据库功能，制作地温随时间动态变化曲线及不同时段不同深度平面上的地温分布图。运用长期系列资料分析冬夏季排取热量时地温场是否平衡，分析地温场变化趋势，预测多年后可能出现的极端情况（地温场过热、过冷）；对热泵运行系统提供地温场变化数据，保障地源热泵系统的可持续正常运行。

3 结论与建议

地埋管式浅层地温能利用系统地温能的能量堆积或削减效应是一个长期的过程，对地温场温度的监测亦是一个长期的过程，对地温场温度监测是进一步研究浅层地温能最佳利用方式、以及对地温场环境造成的影响的基础，也为地埋管式换热系统的推广应用提供数据参考和技术支持。

主要参考文献

［1］ 中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会，地温资源与地源热泵技术应用论文集，北京，地质出版社，2009年。

［2］ 齐承英等，河北省浅层地热能调查评价与开发利用规划项目原位热传导实验及土壤热特性分析，河北工业大学，2008年。

［3］ 卫万顺等，北京平原区浅层地温能资源地质勘查报告，北京市地质矿产勘查开发局，2009年。