0引言
浅层地热能是指蕴藏于地表以下200m 以内的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能，利用浅层地热能的地源热泵系统具有节能、环保及经济等优点[1]。我国建筑能耗占总能耗30%以上，而暖通空调能耗所占比例超过建筑总能耗的50%[2]，因此，控制暖通空调的能耗进而控制建筑能耗，有利于我国经济建设的可持续发展。虽然地源热泵有较好的节能性，但对不同地质条件地区的适用性也存在较明显的差异，需要对其地源热泵运行进行浅层地温模拟预测及分析评价，以确保地源热泵可长期稳定高效地运行[3]。 安徽地区一般在10m 以下深地层基本不受气温环境影响[4]，但对地下热交换整体来说，地源热泵系统
不仅受气温环境影响[5]，
同时建筑对地下排热量及取热量有明显影响。本文针对安徽16个中心城市建设规划区三类不同地质条件的特点，模拟运行在地源热泵运行条件下的浅层地温变化情况，相应分析其地源热泵的适宜性[6]。分别模拟预测了在不同的全年累计冷热负荷比、不同的地埋管深度、不同的地埋管间距及不同的管布置方式等条件下，地源热泵系统运行时的浅层地温变化情况，并相应提出平衡地温的措施。
1安徽浅层地热能条件
安徽地处中纬度地区，属暖温带向亚热带过渡的季风气候类型；淮河以北属温带半湿润季风气候，淮河以南属亚热带湿润季风气候。年平均气温14~17℃，四季分明，冬寒夏炎。气候条件益于浅层地热能赋存及开发利用。浅层地热能主要赋存于200m 以内浅层
建筑节能
安徽地源热泵应用区域的地温变化预测*
刘朝阳1，胡平放2，官
煜3，鲁
念2，陈学锋3，雷
飞2
(1.武汉地质工程勘察院，武汉430051；2.华中科技大学，武汉430074；
3.安徽省地质环境监测总站，合肥230001)
Prediction of Soil Tem perature in Areas of
Ground Source Heat Pum p in Anhui Province
LIU Chao-yang 1,HU Ping-fang 2,GUAN Yu 3,LU Nian 2,CHEN Xue-feng 3,LEI Fei 2
(1.Wuhan Geological Engineering Survey Institute,Wuhan 430051,China;2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;
3.Anhui Institute of Geo-Environmental Monitoring,Hefei 230001,China)
Abstract ：The paper presents the predication of variation of underground soil temperature in the area of ground source heat pump (GSHP)system located in Anhui.The underground soil temperature of GSHP system operating for 20years with different cooling and heating load ratio,different tube spacing,different under －ground soil parameters and different nest of tubes arrangement are simulated.Different ways to balance the underground soil temperature on the basis of the simulation results are proposed.
Keyw ords ：ground source heat pump(GSHP);shallow geothermal energy;underground soil tempera-ture;prediction
摘要：通过建立浅层地温预测模型，对安徽地源热泵系统开发利用浅层地热能进行了区域性浅层地
温变化模拟预测；分别预测评价了在不同的岩土体、不同的冷热负荷不平衡率、不同的地埋管
深度、不同的管间距及不同管布置方式等条件下，地源热泵系统运行时的浅层地温变化情况；提出了开发利用条件下的地温热平衡措施。
关键词：地源热泵；浅层地热能；地温；预测
中图分类号：TU831文献标志码：A 文章编号：1673-7237(2016)09-0084-04
■生态城市与环境
2016年第9期(总第44卷第307期)
doi ：
10.3969/j.issn.1673-7237.2016.09.019收稿日期：2016-01-28；修回日期：2016-03-02*基金项目：湖北省科技支撑计划项目(2014BAA147)
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松散岩类(Q＋N)、较松散岩类(E＋K)及固结岩类(其他岩石)岩土体中。松散岩类地层主要分布于淮河
以北平原及芜湖、合肥市等地；较松散岩类地层主要分布于江淮之间波状平原以及合肥、六安、滁州及宣城市等地；固结岩类岩石主要分布于沿江、江南丘陵地区以及平原地区的局部。松散岩类地区发育有浅、深层松散岩类孔隙水，较松散岩类地区地下水较贫乏，固结岩类地区地下水分布不均一。地层结构有单一结构和双层结构两类，其中双层结构为上覆松散层、下覆较松散岩类或固结岩类地层岩性。浅层地温场自然状态下垂向分变温带、恒温带及增温带。一般增温带地温增温率1.5~3.0℃/100m。综合分析岩土现场热响应试验及室内测试成果，松散岩类、较松散岩类及固结岩类岩土热导率分别为1.87、2.29、2.59W/m·K，比热容分别为1.29、0.67、0.57kJ/kg·K。区内主要适宜于地源型(地埋管)浅层地热能开发利用方式，局部适宜地下水源型及地表水源型利用方式。
2浅层地温场模型
浅层地温场模型的建立及求解过程为：
(1)建立控制方程。U形管内流体是不可压流体，热泵运行时水的流动换热过程及管壁与岩土体的换热过程可以用连续性方程、动量方程和能量方程[7]。
确定边界条件与初始条件。本模型边界条件为给定U形管进口流体速度大小(0.6m/s)和温度(夏季35℃，冬季4℃)，初始条件为给定岩土初始温度(由岩土热响应试验获得值)。
划分计算网格。使用GAMBIT软件划分网格。
(2)建立离散方程。使用FLUENT软件，基于有限体积法。
(3)离散初始条件和边界条件。将连续的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，用FLUENT进行计算时，由于在GAMBIT中已经完成了网格划分，可以直接在边界上指定初始条件和边界条件。
(4)给定求解控制参数。在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数、迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。
(5)求解离散方程。
(6)判断解的收敛性。要对解的收敛性随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。
3建筑负荷模拟过程
本文选取安徽合肥某办公建筑进行相关模拟分析研究。该办公楼位于合肥经济技术开发区，3层，由入口大厅、会议室、办公室、研究室及成列室等组成。总面积1828.1m2。利用DeST软件模拟该栋建筑的建筑全年负荷，办公楼全年累计冷、热负荷分别为100304.8、84013.85kW·h，其全年累计冷负荷略大于热负荷。模拟得出该建筑6、7、8、9月各月累计负荷依次为15787.87、27483.36、26667.34、13666.79kW·h，冬季12、1、2、3月各月累计负荷依次为21181.91、24742.96、17053.52、10479.1
6kW·h，该建筑的夏季逐时最大冷负荷为110.82kW，冬季逐时最大热负荷为99.77kW。全年各月累计负荷见表1。
4模拟数据预测分析
4.1不同条件下的浅层地温变化趋势
安徽中心城市建设规划区200m以内岩土体可分松散岩类、较松散岩类及坚硬岩类三类，其区域地质条件下的岩土体主要参数见表2。
模拟预测建筑工程地源热泵运行的相关参数：孔深100m、地埋管流量11.4(L/min)/3.5K、地埋管管中流体为水，比热、密度分别为4.180kJ/(K·kg)和1000kg/m3，地埋管外径32mm、内径26mm、管道类型为U，流体流动状态为紊流，井内管道放置为平均间距、井孔直
表2不同类型岩土体参数汇总表
岩土类别松散岩类较松散岩类坚硬岩类含水量/%
18.61
3.18
0.77
天然密度/(g/cm3)
1.97
2.57
2.61
孔隙率
0.39
0.14
0.06
导热系数/(W/(m·K))
1.87
2.29
2.59
导温系数/(m2/h)
0.0019
0.0042
0.0049
比热容/[kJ/(kg·K)]
1.29
0.67
0.57
管内初始温度/℃
20.21
19.48
20.47
埋管深度/m
100
100
100
月份
累计冷负荷/kW·h 累计热负荷/kW·h
月份
累计冷负荷/kW·h 累计热负荷/kW·h
1
43.35
24742.96
7
27483.36
1.43
2
777.99
17053.52
8
26667.34
11.72
3
1513.25
10479.16
9
13666.79
102.08
4
1388.87
2616.55
10
2441.34
243.12
表1建筑体各月累计负荷表
5
6692.8
166.2
11
3394.58
7282.73
6
15787.87
132.47
12
447.24
21181.91
85
径127mm ，回填材料导热率2.2W/(m ·K)，垂直孔井网络布置方式：20列、1行，地埋管井孔间距为4m 。
分别模拟安徽中心城市三类不同地质条件(松散岩类、
较松散岩类、坚硬岩类)地温变化趋势，如图1所示。由图1可见，不同岩土体地质条件的地温均随地源热泵运行时间增加呈增加趋势，其地温增加值大小依次为较松散岩类、坚硬岩类、松散岩类。总体岩
土体温度水平受多种因素共同影响，从图中可见地温变化不完全取决于导热系数。
以该建筑模拟负荷为基础，输入该模拟结果到地源热泵地温变化预测模型，并模拟建筑不同累计冷负荷及热负荷不平衡率(累积冷负荷-累积热负荷)/累积冷负荷)对于地温的影响。此处模拟全年累计冷负荷及累计热负荷不平衡率分别为0、
20%、40%、60%条件下的地源热泵系统的地温最大值变化如图2所示。
分析建筑不同全年累计冷负荷及热负荷不平衡率时的情形可知：建筑全年累计冷负荷及热负荷不平衡率为0~20%时，地温变化值为2℃左右；当建筑冷热负荷不平衡率为40%时，地温变化值为5℃左右；不平衡率为60%时，地温变化值大于5.5℃。该种情况下的建筑冷热不平衡率不利于地源热泵系统长期稳定运行[8]。
在地埋管总管长度不变的情况下改变单孔孔深，模拟地埋管孔深分别为60m 、80m 、100m 、120m 、140m 时，地温最大值变化情况如图3所示。地埋管5个不同孔深的地温变化趋势相近，均随时间增加有所增加。50年后温度增加在4℃左右。在建筑负荷等其他条件相同的情形下，地下土壤温度不是随着埋管深度越大地下土壤温度变化越小。
模拟地埋管孔间距为3m 、5m 、7m 时的地温最大值变化如图4所示。随着孔间距的增加地温上升幅度
渐小，孔间距3m 时地埋管之间的热干扰较明显；孔间距大于及等于5m 时，热干扰变化不明显这说明孔间距会对地温变化产生影响，该种情况有利于地源热泵长期稳定运行。在设计地源热泵系统时，应该同时考虑孔间距和地源热泵埋管所占面积。综合对比分析认为，在该类地层开发利用浅层地热能时，地源热泵埋管孔间距5m 为优化的推荐值。在单向供暖时，模拟孔间距为3m 、
5m 、6m 情况下地温变化分别上升2.1℃、1.2℃、1.1℃，从相关数据可见，不管是单供暖或冷热双供的情况下，地温都与孔间距有一定关系，且随着孔间距增加地温变化值趋小。地源热泵换热
模拟地埋管管长宽比分别为1∶1、3∶1、5∶1、20∶1时，地温变化值分别为3.97℃、3.68℃、2.32℃、0.885℃。通过模拟分析长宽比分别为1∶1、3∶1、5∶1、20∶1时，地温变化最大值为长宽的差距越大，地温变化值越小，地埋管之间的热影响也越小。因此，在地埋管土地面积允许的条件下，其地埋管管长宽比越大，越有利于地源热泵系统运行时的地温热平衡。4.2浅层地温热平衡分析
当建筑地源热泵系统夏季总排热量与冬季总取
图1
不同岩土体的地温变化趋势图
图2不同冷、
热负荷不平衡率下的地温变化趋势图
图3
不同埋管深度时的地温变化趋势图
图4
地埋管不同间距时的地温变化趋势图
86
热量基本平衡(小于15%)时，可不设冷却塔。条件允许时可利用地源热泵系统供冷供热的同时，供生活类热水，可一定程度调节地下全年取热量与排热量，从而控制地温的变化，并防止出现热不平衡。安徽是有冬季取暖、夏季制冷需求的地区，冬夏季气温与浅层地温之间的温差均较大，地源热泵系统总体属于夏季总排热量略大于冬季总取热量，其气候条件有利于在开发利用时的地温年内热平衡。
同时，由于地源热泵系统的类型、所在地的气候、建筑性质、负荷特性等差异，目前进行地源热泵地温模拟预测研究尚是初步的，其预测结果还存在一些不确定性，与具体地源热泵工程关联密切。
5结语
根据安徽松散岩类、较松散岩类和坚硬岩类三类岩土体的相关参数，模拟预测了不同地质条件下的区域性地温变化趋势，分别模拟预测了不同冷热负荷不平衡率、不同地埋管深度及不同地埋管间距的浅层地温变化特征，以便采取相应的热平衡措施，确保地源热泵系统长期稳定高效的运行，获得以下结论：
(1)通过对安徽三类不同岩土体地质条件下的地源热泵系统运行状况进行模拟预测，其浅层地温有一定的上升变化趋势，但变化幅度较小，在对具体建筑工程地源热泵系统相应采取热平衡措施的条件下，该地区可以适宜地源热泵系统应用。
(2)在可能的情况下尽量增大地埋管管长宽比，有利于浅层地温的稳定。
(3)建议设置浅层地温及地源热泵系统监测装置。长期监控地下岩土的取热量及排热量，从而调节运行方式，使岩土体的取热量与排热量总体保持动态平衡。
参考文献：
[1]文乾照，李湧.双U形地埋管换热器冬季周围土壤温度变化[J].燃气与热力,2009,29(6):7-10.
[2]孙恒虎，崔建强，毛信理.地源热泵的节能机理[J].太阳能学报,2004,25 (1):24-27.
[3]常世钧，龚光彩.冷热源及建筑节能的研究现状和进展[J].建筑热能通风空调,2003(5):18-23.
[4]Michopoulos A,Boziso D,Kikidis P,et al.Three-years operation experi-ence of a ground source heat pump system in Northern Greece[J],Energy and Buildings,2007,39(3):328-334.
[5]Zeng H,Diao N,Fang Z.Efficiency of vertical geothermal heat exchangers in the ground source heat pump system[J].Journal of Thermal Science.2003,12 (1):77-81.
[6]郝赫，张素芳，李妍，等.负荷平衡度对地源热泵系统的影响[J].暖通空调,2014,44(2):51-55.
[7]胡平放，朱娜，江章宁，等.地源热泵地埋管换热系统热堆积分析[J].华中科技大学学报,2008,25(1):24-27.
[8]Park H,Lee S R,Yoon S.Shin H.Case study of heat transfer behavior of helical ground heat exchanger[J].Energy and Buildings,2012,53(10):137-144.
作者简介：刘朝阳(1969)，男，湖北人，高级工程师，主要从事浅层地热能应用技术研究(Liuchaoyang0214@163)。
通讯作者：胡平放(1963)，男，江西人，博士，教授，博士生导师，主要从事建筑节能与地源热泵技术研究(pingfanghu21@163)。
(上接第80页)足热舒适性要求的技术措施研究[D].成都：西南交通大学,2012.
[2]李星.江苏沿海低层风场精细化分析模拟研究[D].南京：南京信息工程大学,2012.
[3]强万明，付素娟，金阳.被动式公共建筑能耗分析及遮阳策略研究[J].建筑节能,2015,43(3):69-72.
[4]杨维，李灿，李义某，等.小型绿建筑设计理念及应用实践[J].建筑科学,2014,30(12):36-42.
[5]顾元，雷勇刚，王飞.竖直式太阳能烟囱优化及其通风性能研究[J].可再生能源,2015,33(12):1797-1802.
[6]陈淑莲，晏华，胡志德，等.石蜡微胶囊外墙保温砂浆的施工及保温隔热性能[J].功能材料,2014,45(S):169-171.
[7]何以芹，冯金荣.相变保温砂浆的制备及应用[J].中外建筑,2014,(6): 169-170.
[8]胡艳丽，杨成，王进，等.城市生活垃圾焚烧底灰制备墙体材料的试验研究[J].科学技术与工程,2015,15(18):215-218.
[9]杨子江.湖北地区小城镇居住建筑被动式太阳能设计应用[J].四川建筑科学研究,2013,39(3):343-345.
[10]刘大龙，杨柳，刘加平.被动式采暖中太阳辐射热效应分析[J].哈尔滨工业大学学报,2015,(8):117-119.
[11]殷双喜，附加阳光间式被动太阳房热负荷特性研究[D].西安：西安建筑科技大学,2011.
[12]彭亚民.当前关于农村沼气的开发与应用问题的研究[J].企业导报, 2012,(18):283-285.
[13]阎丽萍.蓄冷空调系统控制策略的比较探讨[C]//全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集,2010.
作者简介：胡艳丽(1983)，女，江苏宿迁人，讲师，研究方向：建筑节能与绿建筑(jssqhyl@163)。
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