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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100～250m，向东北增厚至300～400m。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分区类型分区标准分布面积（km2）基本特征适宜区基岩埋深大于80m6633地埋管深度范围内均为第四系地层，施工难度小，工程建设成本低，适宜大规模开发利用。较适宜区基岩埋深0～80m46地埋管深度范围内为第四系及基岩两部分，施工难度大，工程建设成本高，适宜个别小型工程建设。不适宜区基岩出露地表2.5基岩起伏大，地势陡峭，几乎不具备施工条件，不适宜工程建设。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，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（5000~20000平方米）大型（20000~50000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。建筑类型建筑规模（㎡）冬季夏季居住建筑500003.23.4≥500003.03.3平均值3.13.4公共建筑200003.23.9≥200003.23.4平均值3.23.7典型项目性能系数统计表建筑类型冬季夏季公共建筑宾馆3.13.4商场3.43.5办公楼3.33.6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。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3m6m9m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统计内容2010年6月18日～2011年5月31日2011年6月1日～2012年4月30日2012年5月1日～2013年5月31日夏季冬季夏季冬季夏季冬季各年度各季（空调季）运行起止时间6月18日～8月31日、9月27日～10月2日11月25日～1月31日、2月14日～2月25日、3月1日～3月31日7月13日～8月18日、9月17日～9月30日、10月2日、3日、13日11月3日～11月13日5月7日、11日、16日、17日、18日、27日、6月4日～7月19日、8月16日～8月31日、9月1日、2日、13日、14日、17日、18日、20日～29日、10月8日、9日、12日、16日、22日11月5日～30日、12月1日～1月31日、2月26～4月18日累计运行日数(天)871105386140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统计内容20112012201320142015夏季冬季夏季冬季夏季冬季夏季冬季夏季冬季各年度各季（空调季）运行起止时间关闭关闭关闭关闭7月10日~7月30日，8月8日~8月17日，9月14日~9月26日关闭关闭2014年11月24日，11月26日-11月27日，11月29日，12月3日-12月4日，12月11日，12月13日，12月24日，2015年1月5日~1月8日，2015年1月13日~1月16日，1月19日~2月9日关闭关闭各季累计运行日数44天39天各季累计运行时数1056小时263小时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5.0010.0015.0020.0025.0030.0035.002010/1/222010/8/102011/2/262011/9/142012/4/12012/10/182013/5/62013/11/22温度/℃日期进水一回水一进水二回水二-15.00-10.00-5.000.005.0010.0015.0020.0025.002010年9月2010年11月2011年1月2011年3月2011年5月2011年7月2011年9月2011年11月2012年1月2012年3月2012年5月2012年7月2012年9月2012年11月2013年1月2013年3月2013年5月换热量/×106KJ日期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101520253035402013年7月2013年7月2013年8月2013年8月2013年9月2013年9月2013年10月温度/℃时间进地端水温出地端水温10121416182022242014年11月2014年12月2014年12月2015年1月2015年1月2015年1月2015年2月温度/℃时间进地端水温出地端水温-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.002.004.006.008.002013年8月2013年9月2013年10月2013年11月2013年12月2014年1月2014年2月2014年3月2014年4月2014年5月2014年6月2014年7月2014年8月2014年9月2014年10月2014年11月2014年12月2015年1月2015年2月2015年3月换热量/×106KJ时间同济大学地埋管换热器换热量直方图3监测成果分析3.3换热区地温变化特征5.0010.0015.0020.0025.0030.0035.002010年1月2010年8月2011年2月2011年9月2012年4月2012年10月2013年5月2013年11月温度/℃时间5m20m33m62m79m1.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16.0017.0018.0019.0020.0021.0022.0023.0024.002010年1月2010年8月2011年2月2011年9月2012年4月2012年10月2013年5月2013年11月温度/℃时间5m20m33m62m16.0017.0018.0019.0020.0021.0022.0023.0024.002010年1月2010年8月2011年2月2011年9月2012年4月2012年10月2013年5月2013年11月温度/℃时间5m20m33m62m75m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010203040506070809014.0016.0018.0020.0022.0024.00深度/m温度/℃2010年6月2010年7月2010年8月2010年9月2010年10月2010年11月2010年12月010203040506070809014.0016.0018.0020.0022.0024.00深度/m温度/℃2011年1月2011年2月2011年3月2011年4月2011年5月2011年6月2011年7月2011年8月2011年9月2011年10月2011年11月010203040506070809014.0016.0018.0020.0022.0024.00深度/m温度/℃2012年4月2012年5月2012年6月2012年7月2012年9月2012年10月2012年11月2012年12月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，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.换热区温升监测孔号2011年5月平均地温（℃）2012年5月平均地温（℃）2013年5月平均地温（℃）第二年较第一年地温升幅（℃）第三年较第一年地温升幅升幅（℃）1号孔19.0319.3219.120.290.092号孔19.1319.4619.190.330.063号孔19.0319.3719.240.340.214号孔19.4319.5319.350.1-0.085号孔18.9319.0219.060.090.136号孔19.1319.2019.240.070.117号孔19.1319.1419.230.010.18号孔19.2719.3019.320.030.05平均值19.1419.2919.220.180.08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