淺層地溫能開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境影響程度的探索性研究

摘 要：本次研究工作結(jié)合已施工的淺層地溫能資源開發(fā)利用工程，在收集分析地質(zhì)、水文地質(zhì)和地源熱泵項(xiàng)

目資料基礎(chǔ)上，建立地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)，通過布設(shè)溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集裝置，對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，

采用GPRS無線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；后，對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而評估淺層地溫能資源開發(fā)

利用對地質(zhì)環(huán)境的影響程度。

關(guān)鍵詞：淺層地溫能；監(jiān)測站；監(jiān)測點(diǎn)；地源熱泵；溫度傳感器；GPRS無線傳輸系統(tǒng)

Abstract: The research work combined with projects of development and utilization of shallow

geothermal resources that have been carried out. It based on the collection and analysis of geology,

hydrogeology and ground-source heat pump project information, then set up GSHP monitoring systems.

Through laying temperature sensors and data collection devices, it can realize dynamic monitoring,

and adopted GPRS wireless transmission system to achieve long-distance transmission of monitoring

data; Finally, by analysis of monitoring data, then assessed the impact extent of the geological

environment on the development and utilization of the shallow geothermal resources.

Key words: shallow geothermal resource; monitoring station; monitoring point; GSHP(ground source

heat pump); temperature sensor; GPRS wireless transmission system

0 引言

淺層地溫能是一種可再生的能源，是改善首都能源結(jié)構(gòu)的一種本地資源，這種資源普遍存在于地下不同的地質(zhì)體中，具有總量大、可再生、安全可靠、環(huán)境效益顯著的特點(diǎn)，受控于區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，即當(dāng)?shù)氐貙映恋斫M合、巖性特征、地下水動態(tài)等[1]。淺層地溫資源利用通過地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)于生活和生產(chǎn)。地源熱泵系統(tǒng)主要利用地下土壤/巖石或其它介質(zhì)中所儲存的大量能量來為建筑空間提供暖氣/空調(diào)和熱水,和常規(guī)系統(tǒng)不同,地源熱泵將不再使用煤/油/天然氣或其它化石能源，能*取代常規(guī)的熱力供暖系統(tǒng)[2]。

北京市開展淺層地?zé)崮艿恼{(diào)查評價工作相對較早。上世紀(jì)末，北京市國土局、北京市地勘局等有關(guān)部門組織開展了初步的地質(zhì)勘查研究工作，2006年中國地調(diào)局立項(xiàng)“北京淺層地溫能資源評價示范”項(xiàng)目，2007年北京市發(fā)改委、北京市水務(wù)局與北京市國土局聯(lián)合立項(xiàng)開展了“北京市平原區(qū)淺層地溫能資源評價及利用規(guī)劃”項(xiàng)目[3]，為政府宏觀規(guī)劃、管理、科學(xué)、合理、、可持續(xù)利用淺層地?zé)崮苜Y源提供依據(jù)，也為本次研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測站點(diǎn)的選擇

1.1 選擇的原則

監(jiān)測站點(diǎn)選擇的主要原則如下：

（1）參考淺層地溫能資源適宜性分區(qū)，監(jiān)測站所在地在資源條件方面具有代表性；

（2）考慮地源熱泵項(xiàng)目分布現(xiàn)狀特征，監(jiān)測點(diǎn)分布要具有廣泛性；

（3）結(jié)合一定的行政區(qū)劃，在管理上突出簡便性；

（4）結(jié)合在施熱泵項(xiàng)目的實(shí)際情況，具備可操作性。

1.2 監(jiān)測站的選擇

監(jiān)測站即監(jiān)測系統(tǒng)，是在淺層地（溫）能的開發(fā)利用下，對地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測。

監(jiān)測站主要功能是收集、分析處理各監(jiān)測點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，預(yù)測地（溫）能資源的變化趨勢；進(jìn)行各種換熱方式

和系統(tǒng)的試驗(yàn)，模擬不同功能建筑采暖、制冷狀態(tài)下冷熱負(fù)荷與地（溫）能開采強(qiáng)度的關(guān)系；在不斷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上

優(yōu)化換熱器材和供暖系統(tǒng)，提高熱泵系統(tǒng)的效率，降低成本。

根據(jù)前述的“選擇原則”，確定了2個地源熱泵項(xiàng)目，具備相對較好的條件來建立監(jiān)測站（見表1），基本能達(dá)到

根據(jù)前述的“選擇原則”，確定了2個地源熱泵項(xiàng)目，具備相對較好的條件來建立監(jiān)測站（見表1），基本能達(dá)到

對地下溫度場影響變化進(jìn)行監(jiān)測的目的。

1.3 監(jiān)測點(diǎn)的選擇

本次工作選取的監(jiān)測點(diǎn)分布在北京平原區(qū)不同的水文地質(zhì)單元和不同的行政區(qū)劃單元中。具體的分布見圖1。

2 監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)

監(jiān)測站網(wǎng)的布設(shè)符合“控制中心—監(jiān)測站”的構(gòu)建模式。控制中心是整個系統(tǒng)運(yùn)作的核心，負(fù)責(zé)收集各監(jiān)測站、

監(jiān)測點(diǎn)上傳的監(jiān)測信息。監(jiān)測站和監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)遠(yuǎn)離控制中心，負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命

令，及時有效地反饋系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)[5]。

監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)是以典型的地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)分別建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)

監(jiān)測站和地下水地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站；在不同的水文地質(zhì)單元和行政區(qū)劃單元內(nèi)均勻地布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，形成監(jiān)測站網(wǎng)[6]。

2.1監(jiān)測站建設(shè)

監(jiān)測站主要有兩個。一是依托“用友軟件園熱泵系統(tǒng)工程”所建的地埋管地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站；二是依托“北京地質(zhì)大廈熱泵系統(tǒng)工程”所建的地下水地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站。

2.1.1地埋管地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站

地埋管地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站以海淀區(qū)用友軟件園地埋管地源熱泵項(xiàng)目為依托而建設(shè)，用友軟件園位于中關(guān)村永豐產(chǎn)業(yè)基地西南端，屬于南口沖洪積扇及山前河流沖洪積平原孔隙水系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)第四系較厚，約200m左右。巖性主要以細(xì)砂、粘土為主，含水層為多層的細(xì)砂層。用友軟件園占地面積45.52公頃，總建筑面積29.6萬平方米，分兩期建設(shè)。一期總建筑面積18.4萬平方米，需要采暖和制冷的建筑面積近16萬平方米。根據(jù)用友軟件園的冷熱負(fù)荷分布，結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目的場地情況，布置孔深為120m的換熱孔616個，共分A、B、C、D四個區(qū)布置。本次監(jiān)測站項(xiàng)目的監(jiān)測點(diǎn)全部布置在A區(qū)內(nèi)。

本次工作共鉆鑿監(jiān)測孔8眼，其平面分布見圖2。選取

地埋管群中心A孔處為研究對象，分析不同方向且距離不同

的兩個換熱孔之間對周圍地溫場的影響情況。在A、B、C三

個孔的孔壁處沿深度方向25m、40m、60m、80m、100m以及

120m各布置一個溫度傳感器[8]，在25m深處A與B、C兩孔之

間水平布置兩套溫度傳感器。為了研究換熱孔對不同地層

結(jié)構(gòu)的影響，在F孔根據(jù)地層的分布情況不同，布置5個溫

度傳感器；為了監(jiān)測巖土體凍土層深度，確定土壤換熱器水平聯(lián)絡(luò)管的埋置深度及水平聯(lián)絡(luò)管是否需要保溫，在D點(diǎn)

位置沿深度方向0.5m，

1.0m，1.5m，2.0m處布置測溫元件；為了研究埋置土壤

換熱器區(qū)域地溫場外圍的地層受地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行長

期運(yùn)行的影響變化，在孔群外側(cè)的H孔處沿深度方向25m、

40m、60m、80m、100m以及120m布置一組測溫元件。 本項(xiàng)目

在監(jiān)測孔中布設(shè)一體化溫度傳感器57個，其分布情況見溫度

傳感器布設(shè)示意圖（圖3）。

2.1.2 地下水地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站

地下水地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測站以北京市地質(zhì)大廈地下水地

源熱泵項(xiàng)目為依托而建設(shè)，北京市地質(zhì)大廈(以下簡稱地質(zhì)

大廈)位于北京市海淀區(qū)北高莊，屬于永定河沖洪積扇中上

部，85m以上含水層累計厚度約70m，巖性以卵礫石含漂石的

為主，其水文地質(zhì)條件*，滲透性和富水性好。項(xiàng)目占地

面積5800m 2 ，總建筑面積16193m 2 ，共施工抽灌井3眼，采用

1眼抽水井和2眼回灌井的取退水方案。本次工作共鉆鑿監(jiān)測

孔7眼，其平面分布見圖4。

本項(xiàng)目共在抽灌井及監(jiān)測孔中布設(shè)一體化溫度傳感器30個、液位傳感器2個，其分布情況見圖5的溫度傳感器布

設(shè)示意圖。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)的建設(shè)

本次工作共建設(shè)20個地埋管及地下水地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)分兩類：一類為鉆孔監(jiān)測點(diǎn)（通過鉆孔埋置

溫度傳感器），有6處；另一類為總管監(jiān)測點(diǎn)（在地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水總管上安裝溫度傳感器），有14處。

2.3 地?zé)釡囟?/span>GPRS無線采集系統(tǒng)地?zé)釡囟?/span>GPRS無線采集系統(tǒng)，主要由兩大部分組成：硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。硬

件部分安裝簡單，流量值儲存在以SQL SERVER2000為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫平臺上。系統(tǒng)軟件的操作平臺是WindoP，采用

128點(diǎn)組態(tài)軟件。通過上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)可以以EXCEL的形式導(dǎo)出。地?zé)釡囟?/span>GPRS無線采集系統(tǒng)軟硬件結(jié)合可以實(shí)

時、準(zhǔn)確、連貫、完整的將溫度、流量值上傳到服務(wù)器中，并以上位機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，配以相關(guān)的模擬圖，直觀

地了解各個傳感器所在的地層的溫度情況[7]。

3 淺層地溫能開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境影響程度的初步分析

在本項(xiàng)目中，在每個監(jiān)測孔布設(shè)溫度傳感器，是為了監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行、停止過程中，埋管群內(nèi)部、外部不同深度

地層的溫度變化，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算恒溫面深度和凍土層的厚度；在地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水總管安裝溫度傳感器，

是為了監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行、停止過程中進(jìn)出水總管的溫度變化。通過監(jiān)測地源熱泵系統(tǒng)的溫度變化，初步評估淺層地

（溫）能資源的開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境的影響。

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選取A測點(diǎn)在2008年6月至10月間的監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖6～圖8）進(jìn)行分析。可以得出：

（1）6-10月份期間，A測點(diǎn)高溫度值27.4℃，整個系統(tǒng)從6月9日開始進(jìn)行制冷，10月份

停止制冷。

（2）6-8月系統(tǒng)運(yùn)行過程中，A測點(diǎn)巖土體溫度隨系統(tǒng)起停而波動，大日變化幅度6℃左右。不同深度溫度變

化規(guī)律、變化幅度均相同。

（3）在6-10月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，40m深處的溫度值較其他深處溫度值偏高，這是由于A測點(diǎn)在40m深處巖性為砂質(zhì)

粉土，阻礙了放熱。

（4）10月份為制冷后的過渡季節(jié)，各深度的地溫場平均下降1℃左右，監(jiān)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)部分的畸變點(diǎn)，可能是

由于系統(tǒng)的非正常起停造成的。

（5）從運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線可以看到，在夏季空調(diào)運(yùn)行過程中，各測點(diǎn)溫度值隨系統(tǒng)的起停而波動，隨著空調(diào)運(yùn)行時

間的增加和熱負(fù)荷的變化，巖土體溫度值在7月下旬至8月中旬高，9月逐漸回落到6月上旬水平。在過渡季節(jié)巖土

體溫度場不斷趨于平穩(wěn)至巖土體原始溫度。10月底各深度平均溫度已恢復(fù)到6月8日的13.5℃左右。

通過初步監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步分析，可以得出：

①在土壤溫度場變化與深度的關(guān)系方面：

一般情況下，各測點(diǎn)不同深度的溫度值沿深度方向逐漸增加。但是從個別測點(diǎn)不同時刻溫度隨深度變化曲線中

得出，個別測點(diǎn)的一定深度處溫度低于其他測點(diǎn)同一深度處的溫度值，這可能是由于該地層存在較強(qiáng)的地下水流

動，使得該地層的熱量較快的被帶走，溫度維持相對低值。

②在夏季空調(diào)運(yùn)行過程中，各測點(diǎn)溫度值隨系統(tǒng)的起停波動，隨著空調(diào)運(yùn)行時間的增加，土壤溫度值較原始溫

度值均有升高和降低的趨勢，在10月份左右的過渡季節(jié)土壤溫度場不斷恢復(fù)。說明地溫變化與系統(tǒng)的換熱功率相

關(guān)，夏天換熱功率越大，地溫上升越高；冬天換熱功率與地溫呈負(fù)相關(guān)，取熱功率越大，管內(nèi)溫度越低。

4 結(jié)論與建議

（1）通過在北京平原區(qū)對淺層地溫能利用采用網(wǎng)絡(luò)化管理的方法，實(shí)現(xiàn)了對地下溫度場的觀測，通過中心站監(jiān)

測系統(tǒng)基本的運(yùn)行狀態(tài)，直觀地反映自然條件下不同深度、不同地層的地溫場響應(yīng)特征。合理協(xié)調(diào)地源熱泵系統(tǒng)內(nèi)

部各個設(shè)備的運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)的大能效。

（2）采用地溫GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，獲取了實(shí)際運(yùn)行

的熱泵項(xiàng)目地區(qū)的地溫場的實(shí)測數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)的初步分析顯示：較強(qiáng)的地下水流動，會影響測點(diǎn)一定深度的溫度

值；空調(diào)系統(tǒng)間斷運(yùn)行時，地溫場呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，體現(xiàn)出快速恢復(fù)的特征；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)長期連續(xù)運(yùn)行時，地溫場

較原始溫度值均有所升高或降低；在過渡季節(jié)地溫場可以逐漸恢復(fù)至原始溫度。

（3）建議增加淺層地溫能監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)量和監(jiān)測項(xiàng)目，全面分析地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行對環(huán)境的影響。通過開展

與地質(zhì)環(huán)境有關(guān)的對地溫場、地下水溫、水位、水質(zhì)的變化及由于開采淺層地溫能引起的其它環(huán)境變化等方面的監(jiān)

測，達(dá)到科學(xué)、合理、慎重、有效地推廣使用淺層地溫能資源的目的。

（4）建立淺層地溫能資源評價的動態(tài)管理系統(tǒng)。淺層地溫能資源評價和區(qū)劃研究，對于政府規(guī)劃、指導(dǎo)淺層地

溫能利用意義重大。隨著淺層地溫能資源地質(zhì)勘查項(xiàng)目的深入開展和地源熱泵項(xiàng)目的不斷實(shí)施，必將產(chǎn)生大量的基

礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)踐成果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，建議建立淺層地溫能資源評價的動態(tài)管理體系，進(jìn)一步促進(jìn)淺層地溫

能的良性發(fā)展。

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