淺層地溫能開發利用對地質環境影響程度的探索性研究

【資料簡介】

淺層地溫能開發利用對地質環境影響程度的探索性研究

 

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

目資料基礎上，建立地源熱泵監測系統，通過布設溫度傳感器以及數據采集裝置，對地源熱泵系統進行動態監測，

采用GPRS無線傳輸系統實現監測數據的遠程傳輸；后，對所監測的數據進行分析，進而評估淺層地溫能資源開發

利用對地質環境的影響程度。

關鍵詞：淺層地溫能；監測站；監測點；地源熱泵；溫度傳感器；GPRS無線傳輸系統

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，是改善首都能源結構的一種本地資源，這種資源普遍存在于地下不同的地質體中，具有總量大、可再生、安全可靠、環境效益顯著的特點，受控于區域地質、水文地質條件，即當地地層沉淀組合、巖性特征、地下水動態等[1]。淺層地溫資源利用通過地源熱泵系統實現，服務于生活和生產。地源熱泵系統主要利用地下土壤/巖石或其它介質中所儲存的大量能量來為建筑空間提供暖氣/空調和熱水,和常規系統不同,地源熱泵將不再使用煤/油/天然氣或其它化石能源，能*取代常規的熱力供暖系統[2]。

 

北京市開展淺層地熱能的調查評價工作相對較早。上世紀末，北京市國土局、北京市地勘局等有關部門組織開展了初步的地質勘查研究工作，2006年中國地調局立項“北京淺層地溫能資源評價示范”項目，2007年北京市發改委、北京市水務局與北京市國土局聯合立項開展了“北京市平原區淺層地溫能資源評價及利用規劃”項目[3]，為政府宏觀規劃、管理、科學、合理、、可持續利用淺層地熱能資源提供依據，也為本次研究工作的開展奠定了基礎。

1 監測站點的選擇

1.1 選擇的原則

監測站點選擇的主要原則如下：

（1）參考淺層地溫能資源適宜性分區，監測站所在地在資源條件方面具有代表性；

（2）考慮地源熱泵項目分布現狀特征，監測點分布要具有廣泛性；

（3）結合一定的行政區劃，在管理上突出簡便性；

（4）結合在施熱泵項目的實際情況，具備可操作性。

1.2 監測站的選擇

監測站即監測系統，是在淺層地（溫）能的開發利用下，對地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統的監測。

監測站主要功能是收集、分析處理各監測點發回的數據，預測地（溫）能資源的變化趨勢；進行各種換熱方式

和系統的試驗，模擬不同功能建筑采暖、制冷狀態下冷熱負荷與地（溫）能開采強度的關系；在不斷試驗的基礎上

優化換熱器材和供暖系統，提高熱泵系統的效率，降低成本。

根據前述的“選擇原則”，確定了2個地源熱泵項目，具備相對較好的條件來建立監測站（見表1），基本能達到

 

根據前述的“選擇原則”，確定了2個地源熱泵項目，具備相對較好的條件來建立監測站（見表1），基本能達到

對地下溫度場影響變化進行監測的目的。

1.3 監測點的選擇

本次工作選取的監測點分布在北京平原區不同的水文地質單元和不同的行政區劃單元中。具體的分布見圖1。

2 監測站網建設

監測站網的布設符合“控制中心—監測站”的構建模式。控制中心是整個系統運作的核心，負責收集各監測站、

監測點上傳的監測信息。監測站和監測點的布設遠離控制中心，負責完成信息的采集和響應控制中心發出的控制命

令，及時有效地反饋系統運行的狀態[5]。

監測站網布設是以典型的地埋管地源熱泵系統適宜區和地下水地源熱泵系統適宜區分別建設地埋管地源熱泵系統

監測站和地下水地源熱泵系統監測站；在不同的水文地質單元和行政區劃單元內均勻地布設監測點，形成監測站網[6]。

2.1監測站建設

監測站主要有兩個。一是依托“用友軟件園熱泵系統工程”所建的地埋管地源熱泵系統監測站；二是依托“北京地質大廈熱泵系統工程”所建的地下水地源熱泵系統監測站。

2.1.1地埋管地源熱泵系統監測站

地埋管地源熱泵系統監測站以海淀區用友軟件園地埋管地源熱泵項目為依托而建設，用友軟件園位于中關村永豐產業基地西南端，屬于南口沖洪積扇及山前河流沖洪積平原孔隙水系統，區域內第四系較厚，約200m左右。巖性主要以細砂、粘土為主，含水層為多層的細砂層。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。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。根據用友軟件園的冷熱負荷分布，結合建設項目的場地情況，布置孔深為120m的換熱孔616個，共分A、B、C、D四個區布置。本次監測站項目的監測點全部布置在A區內。

 

本次工作共鉆鑿監測孔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

結構的影響，在F孔根據地層的分布情況不同，布置5個溫

 

度傳感器；為了監測巖土體凍土層深度，確定土壤換熱器水平聯絡管的埋置深度及水平聯絡管是否需要保溫，在D點

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

換熱器區域地溫場外圍的地層受地埋管地源熱泵系統運行長

期運行的影響變化，在孔群外側的H孔處沿深度方向25m、

40m、60m、80m、100m以及120m布置一組測溫元件。 本項目

在監測孔中布設一體化溫度傳感器57個，其分布情況見溫度

傳感器布設示意圖（圖3）。

2.1.2 地下水地源熱泵系統監測站

地下水地源熱泵系統監測站以北京市地質大廈地下水地

源熱泵項目為依托而建設，北京市地質大廈(以下簡稱地質

大廈)位于北京市海淀區北高莊，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，其水文地質條件*，滲透性和富水性好。項目占地

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。本次工作共鉆鑿監測

孔7眼，其平面分布見圖4。

 

本項目共在抽灌井及監測孔中布設一體化溫度傳感器30個、液位傳感器2個，其分布情況見圖5的溫度傳感器布

設示意圖。

2.2 監測點的建設

本次工作共建設20個地埋管及地下水地源熱泵系統監測點。監測點分兩類：一類為鉆孔監測點（通過鉆孔埋置

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

2.3 地熱溫度GPRS無線采集系統地熱溫度GPRS無線采集系統，主要由兩大部分組成：硬件結構和軟件結構。硬

件部分安裝簡單，流量值儲存在以SQL SERVER2000為基礎的數據庫平臺上。系統軟件的操作平臺是WindoP，采用

128點組態軟件。通過上位機軟件，數據可以以EXCEL的形式導出。地熱溫度GPRS無線采集系統軟硬件結合可以實

時、準確、連貫、完整的將溫度、流量值上傳到服務器中，并以上位機的形式實現監控，配以相關的模擬圖，直觀

地了解各個傳感器所在的地層的溫度情況[7]。

3 淺層地溫能開發利用對地質環境影響程度的初步分析

在本項目中，在每個監測孔布設溫度傳感器，是為了監測系統運行、停止過程中，埋管群內部、外部不同深度

地層的溫度變化，并通過監測數據計算恒溫面深度和凍土層的厚度；在地源熱泵系統進出水總管安裝溫度傳感器，

是為了監測系統運行、停止過程中進出水總管的溫度變化。通過監測地源熱泵系統的溫度變化，初步評估淺層地

（溫）能資源的開發利用對地質環境的影響。

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選取A測點在2008年6月至10月間的監測數據（圖6～圖8）進行分析。可以得出：

（1）6-10月份期間，A測點高溫度值27.4℃，整個系統從6月9日開始進行制冷，10月份

停止制冷。

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

化規律、變化幅度均相同。

（3）在6-10月監測數據顯示，40m深處的溫度值較其他深處溫度值偏高，這是由于A測點在40m深處巖性為砂質

粉土，阻礙了放熱。

（4）10月份為制冷后的過渡季節，各深度的地溫場平均下降1℃左右，監測數據中出現部分的畸變點，可能是

由于系統的非正常起停造成的。

（5）從運行數據曲線可以看到，在夏季空調運行過程中，各測點溫度值隨系統的起停而波動，隨著空調運行時

間的增加和熱負荷的變化，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。在過渡季節巖土

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

通過初步監測數據的初步分析，可以得出：

①在土壤溫度場變化與深度的關系方面：

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

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

動，使得該地層的熱量較快的被帶走，溫度維持相對低值。

②在夏季空調運行過程中，各測點溫度值隨系統的起停波動，隨著空調運行時間的增加，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土壤溫度場不斷恢復。說明地溫變化與系統的換熱功率相

關，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相關，取熱功率越大，管內溫度越低。

4 結論與建議

（1）通過在北京平原區對淺層地溫能利用采用網絡化管理的方法，實現了對地下溫度場的觀測，通過中心站監

測系統基本的運行狀態，直觀地反映自然條件下不同深度、不同地層的地溫場響應特征。合理協調地源熱泵系統內

部各個設備的運行，充分發揮系統的大能效。

（2）采用地溫GPRS無線遠程傳輸系統對地源熱泵系統進行監測，實現了現場數據的遠程傳輸，獲取了實際運行

的熱泵項目地區的地溫場的實測數據。對數據的初步分析顯示：較強的地下水流動，會影響測點一定深度的溫度

值；空調系統間斷運行時，地溫場呈現相應的變化，體現出快速恢復的特征；當空調系統長期連續運行時，地溫場

較原始溫度值均有所升高或降低；在過渡季節地溫場可以逐漸恢復至原始溫度。

（3）建議增加淺層地溫能監測站點的數量和監測項目，全面分析地源熱泵系統的運行對環境的影響。通過開展

與地質環境有關的對地溫場、地下水溫、水位、水質的變化及由于開采淺層地溫能引起的其它環境變化等方面的監

測，達到科學、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管理系統。淺層地溫能資源評價和區劃研究，對于政府規劃、指導淺層地

溫能利用意義重大。隨著淺層地溫能資源地質勘查項目的深入開展和地源熱泵項目的不斷實施，必將產生大量的基

礎數據、實踐成果和監測數據，在此基礎上，建議建立淺層地溫能資源評價的動態管理體系，進一步促進淺層地溫

能的良性發展。

參考文獻

[1] 北京市地質礦產勘查開發局,北京市地質勘察技術院. 北京淺層地溫能資源[M]. 北京：中國大地出版社，2008.

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[2] 劉立才，劉喬木，廖榮，等. 水源熱泵應用的細節技術探討-以北京地區為例[J]. 水文地質工程地質，2009（3）：134-137.

[3] 劉印春等. 北京市平原區淺層地溫能資源評價及利用規劃研究報告[M]. 北京市地質勘察技術院，2008.

[4] 北京市地質工程勘察院. 北京周邊地區地下水資源潛力勘察評價報告[M]. 2004.

[5] 史玉虎 袁克侃 李惠寶 等.湖北長防林體系綜合效益監測分區及監測網絡[J].湖北林業科技,1999,108(2):1-4.

[6] 汪水前.福建省水土保持監測網絡規劃與實施設想[J].福建水土保持,2003,14(1):48-52.

[7] 徐飛，雷斌. GPRS遠程通信在遠程地溫監測系統中的應用[M]. 西安工業大學，2007.

[8] 徐行 施小斌 羅賢虎等. 南海北部海底地熱測量的數據處理方法[J]. 現代地質. 2006(03).

 

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