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1、浅层地热能建筑应用系统 跟踪监测成果分析与应用,上海市地矿工程勘察院 2015年10月,高世轩,主要内容,一、浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状 二、应用工程跟踪监测工作概况 三、监测成果分析 四、监测成果应用 五、结语,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,1.1 地质条件,1.基岩埋藏与分布 上海露出地表的基岩分布零星，多呈孤丘出现，总面积约2.5km2，而大片的基岩隐伏在第四系松散沉积物之下。 上海区域的基岩面埋深起伏变化较大，总体上南西高，北东低，最大高差可达600m。崇明港西、向化地区基岩埋深可达500m。 基岩主要由上侏罗统火山岩火山碎屑岩系、金山群及惠南板岩变质岩系，震
2、旦系到奥陶系碳酸盐岩类和燕山晚期侵入岩构成。,上海市基岩埋深等值线图,2 第四系,第四系厚度大部分区域介于200m到320m之间，受基底起伏的控制，西南较薄，为100250m，向东北增厚至300400m。 第四系大致以145m为界，以浅为以灰色为主的海陆交互相相沉积物。145m以下为以褐黄色为主的粘土与灰白色为主的砂砾互层，为早更新世陆相沉积物。,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,1.2 地埋管换热方式适宜性分析,地埋管换热方式适宜性分区表,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,1.3 浅层地热能开发利用现状,据初步统计，至2014年底，上海市浅层地热能应用工程项目超过600个
3、，应用面积达800万平方米。,项目规模总体上以小型工程为主。,小型（小于5000平方米） 中型（500020000平方米） 大型（2000050000平方米） 超大型项目（50000平方米）,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,换热方式以地埋管为主。,上海市是地面沉降严重的地区，出于地面沉降控制的需要，对地下水开采和使用采取了严格的限制措施，而地表水的使用又受限于河流和湖泊水文条件约束。因此，目前以地埋管利用方式（含复合系统）的项目数量高达98%，其中竖管形式比例占100%。,1.3 浅层地热能开发利用现状,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,节能效果较好。 公共建筑优于居住建
4、筑。公共建筑冬季性能系数碧比居住建筑高3%，夏季夏季能 效比高9% 商场和办公楼效果最好。商场和办公楼冬、夏季系统平均性能系数均高于平均值。,典型项目性能系数统计表,典型公共建筑性能系数统计表,1.3 浅层地热能开发利用现状,1 浅层地热能赋存的地质条件及开发利用现状,2 应用工程跟踪监测工作概况,跟踪监测工程分布图,上海市自2010年开始陆续选择部分工程开展跟踪监测工作，到2014年，已建成应用工程监测场11个，其中地埋管地源热泵工程10个，地下水地源热泵工程1个，分布于嘉定、闵行、浦东新区、崇明等区。 已建成的应用工程监测场多数投入监测，部分由于地源热泵系统尚未运行而没有取得运行监测数据。
5、,2.1 工程应用概况,2 应用工程跟踪监测工作概况,2.1 主要监测内容,1. 地源热泵系统运行参数监测 热泵系统用户侧供回水温度、流量监测； 热泵系统地源侧供回水温度、流量监测； 系统耗电量监测。 2.地源热泵系统换热区地温监测 3.地源热泵系统换热区地下水质监测,2.2 监测方法,地温和运行参数监测采用自动数据采集系统，地下水质监测为人工采样送实验室分析。,政法学院图文信息中心,1.上海政法学院,地温监测孔布置图,3 监测成果分析,3.1 工程案例,位于上海市青浦区，总建筑面积15618m2。建筑总空调冷负荷为1989KW，总热负荷为1475KW。,采用地埋管及湖水源热泵空调系统，单U型
6、管垂直埋管方式，地埋管DN32PE管材，埋设换热孔数250个，埋管深度100m。在夏季冷负荷高峰，地埋管换热器无法满足要求时，利用湖水源换热器承担部分负荷，共设计320组湖埋管。 地温监测孔9个，测温点54个，地源侧进出水温4个，流量2个。,3 监测成果分析,地温监测孔布置图,2.同济大学嘉定校区二车间,3.1 工程案例,位于上海市嘉定区，建筑面积476.4m2。空调冷负荷为71.46KW，热负荷为50.02KW。 空调采用地埋管地源热泵系统，21个换热孔，深度为60m、100m、120m三种，单U、双U二种。 设置地温监测孔9个，测温点134个，地下水位监测孔3个。进出水温度测点10个，进出
7、水流量测点2个，耗电量测点2个。,3 监测成果分析,3.2 系统运行情况及吸排热量,政法学院地源热泵系统运行情况统计表,1.系统运行情况,获得2010年6月2013年5月累计3年监测数据。,3 监测成果分析,3.2 系统运行情况及吸排热量,同济大学地源热泵系统运行情况统计表,1.系统运行情况,3 监测成果分析,3.2 系统运行情况及吸排热量,2.吸排热量,政法学院地埋管换热器换热量直方图,政法学院地源侧进回水温度曲线,3 监测成果分析,3.2 系统运行情况及吸排热量,2.吸排热量,同济大学2014年冬季运行进出地端水温变化曲线,同济大学2013年夏季运行进出地端水温变化曲线,同济大学地埋管换热
8、器换热量直方图,3 监测成果分析,3.3 换热区地温变化特征,1.地温随时间变化,政法学院换热区中心区域J1号监测孔各测点的温度变化曲线,3 监测成果分析,3.3 换热区地温变化特征,1.地温随时间变化,政法学院换热区中心区域J2号监测孔各测点的温度变化曲线,政法学院换热区中心区域J3号监测孔各测点的温度变化曲线,3 监测成果分析,3.3 换热区地温场变化特征,2.地温垂向变化,政法学院换热区中心区域监测孔月平均地温随深度变化曲线（2010年6月2013年5月）,20m、33m、62m及80m深度地温变化幅度随深度增加有逐渐减小趋势。表明：地温变化幅度与土层原始温度有关，深度越深原始地温越高，
9、原始地温与换热孔温差越小，因此地温变化幅度越小。,3 监测成果分析,3.3 地温场变化特征,3.换热区温升,政法学院各监测孔全年平均温度及其升幅,运行第二年平均地温比第一年升高0.18，运行的第三年平均地温比第一年升高0.08，均小于0.2，这是由于政法学院在夏季空调使用高峰期采用的地表水地源热泵系统进行调峰，因此地埋管部分吸排热量基本平衡。,3 监测成果分析,3.3 地温场变化特征,3.换热区温升,同济大学各监测孔全年平均温度及其升幅,经过夏季44天运行后，位于埋管区外围的X1、X2、X3及X15号监测孔升温幅度较位于埋管区内部的X4、X5、X7、X8、X10及X12号监测孔升温幅度小。前者
10、升温幅度在0.030.42之间，后者升温幅度在0.390.77之间。,3 监测成果分析,3.3 换热区地温变化特征,4.地温恢复速率,选取位于同济大学埋管区内部的X5、X7及X8号监测孔，2013年夏季运行44天后，土壤温度恢复缓慢，经过304天间歇期，各孔均未恢复到原始地温。 对土壤温度恢复速率进行计算，取土壤恢复304天后温度与原始温度差值除以恢复时间再乘以100天，得出埋管区土壤地温恢复速率为0.12/100d。,3 监测成果分析,政法学院换热区外部监测孔各测点的温度变化曲线,1m,3m,6m,9m,12m,3.4 热影响范围,3 监测成果分析,3.4 热影响范围,埋管区周围地温在水平上
11、呈现波状衰减的变化趋势，距离换热孔1m处地温波动最大，随着与钻孔距离的增大，温度波动范围逐步减小。距离换热孔3m范围内的地温波动十分明显，距离换热孔6m处地温只有细微波动，距离换热孔9m及12m处地温几乎无变动（小于0.2，小于地温监测精度），因此政法学院地埋管换热对地温的影响半径在6.09.0m之间。,政法学院换热区外监测孔地温变化曲线,3 监测成果分析,3.5 系统能效,同济大学夏季运行44天热泵机组性能系数、 进出水温差与地温关系,地埋管地源热泵系统运行导致换热区土壤温度大幅变化，夏季随着运行时间的增加，系统持续向地下土壤排热，换热区土壤温度随之逐渐升高，地温平均升高幅度为0.58。随着
12、换热区土壤温度的升高，地源侧进出水温差逐渐减小，降低幅度为0.87。机组EER值亦随之降低，由7月份的4.32降低到4.11，系统换热效率下降。,地源热泵系统设计及应用应考虑地源热泵系统持续运行地温升高对系统能效的影响，在运行高峰时段采取间歇运行措施，以保证地源热泵系统高效运行。,4 监测成果应用,利用取得的监测工程地层、运行参数、地温监测数据建立数值模型，可以对不同吸排热比条件下的地温场变化等进行模拟分析。,基于TOUGH2的地埋管传热模型,基于FEFLOW的地埋管传热模型,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,23m,55m,70m,102m,拟合曲线图,4.
13、1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,利用实测数据对模型进行校验,误差分析表,4 监测成果应用,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,办公建筑模拟预测方案,4 监测成果应用,1.地温场变化,吸排热比0.98，系统运行第一年地温变化规律,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,1.地温场变化,吸排热比0.98，系统运行30年地温变化规律,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,1.地温场变化,吸排热比0.78，系统运行30年地温变化规律,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,2.热影响范围,
14、吸排热比0.78的热影响范围预测表,埋管区各深度地温影响半径随时间变化,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,3.地下水径流对地温场的影响,第一含水层地下水力坡度为0.0045，吸排热比0.78，系统运行第一年地温变化规律,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,3.地下水径流对地温场的影响,第一含水层地下水力坡度为0.0045，吸排热比0.98，系统运行30年地温变化规律,4.1 不同吸排热比条件下的地温场中短期模拟分析,4 监测成果应用,4.3 其它应用,1,2,3,地埋管换热器合理 埋管间距研究,换热区地温监测孔优化布局分析,上海
15、地区适宜埋管深度研究,5 结语,我国浅层地热能的开发利用起步较晚，但发展速度惊人 ，2004年以来，应用工程数量以20%25%/年的速度增长，且应用建筑规模几万平方米以上的中大型工程发展迅速。 实际上，我国浅层地热能的开发利用尚处在初始阶段， 对建筑应用系统关键技术问题的认识有待深入。因此，现阶段选择典型浅层地热能应用工程进行跟踪监测具有重要意义。应用工程跟踪监测至少有以下几方面的作用： 1. 了解系统性能； 2. 为建筑应用系统应用对地质环境的影响评价提供依据，对产业政策的制定及地质环境的保护有重要意义； 3.为确定系统运行策略提供依据。根据监测结果，我们可以优化系统运行方案，以充分发挥系统能效，保证系统持续稳定运行； 4.可以依据监测成果对一个地区地埋管换热器关键设计参数（如管型、埋管间距、埋管深度）进行优化研究，提高浅层地热能建筑应用系统的设计、施工质量，对浅层地热能的可持续开发利用有重要意义。,谢谢！,
