浅层地温能开发利用对地质环境影响程度的探索性研究
摘 要：本次研究工作结合已施工的浅层地温能资源开发利用工程，在收集分析地质、水文地质和地源热泵项
目资料基础上，建立地源热泵监测系统，通过布设温度传感器以及数据采集装置，对地源热泵系统进行动态监测，
采用GPRS无线传输系统实现监测数据的远程传输；后，对所监测的数据进行分析，进而评估浅层地温能资源开发
利用对地质环境的影响程度。
关键词：浅层地温能；监测站；监测点；地源热泵；温度传感器；GPRS无线传输系统
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
浅层地温能是一种可再生的能源，是改善首都能源结构的一种本地资源，这种资源普遍存在于地下不同的地质体中，具有总量大、可再生、安全可靠、环境效益显著的特点，受控于区域地质、水文地质条件，即当地地层沉淀组合、岩性特征、地下水动态等[1]。浅层地温资源利用通过地源热泵系统实现，服务于生活和生产。地源热泵系统主要利用地下土壤/岩石或其它介质中所储存的大量能量来为建筑空间提供暖气/空调和热水,和常规系统不同,地源热泵将不再使用煤/油/天然气或其它化石能源，能*取代常规的热力供暖系统[2]。
北京市开展浅层地热能的调查评价工作相对较早。上世纪末，北京市国土局、北京市地勘局等有关部门组织开展了初步的地质勘查研究工作，2006年中国地调局立项“北京浅层地温能资源评价示范”项目，2007年北京市发改委、北京市水务局与北京市国土局联合立项开展了“北京市平原区浅层地温能资源评价及利用规划”项目[3]，为政府宏观规划、管理、科学、合理、、可持续利用浅层地热能资源提供依据，也为本次研究工作的开展奠定了基础。
1 监测站点的选择
1.1 选择的原则
监测站点选择的主要原则如下：
（1）参考浅层地温能资源适宜性分区，监测站所在地在资源条件方面具有代表性；
（2）考虑地源热泵项目分布现状特征，监测点分布要具有广泛性；
（3）结合一定的行政区划，在管理上突出简便性；
（4）结合在施热泵项目的实际情况，具备可操作性。
1.2 监测站的选择
监测站即监测系统，是在浅层地（温）能的开发利用下，对地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统的监测。
监测站主要功能是收集、分析处理各监测点发回的数据，预测地（温）能资源的变化趋势；进行各种换热方式
和系统的试验，模拟不同功能建筑采暖、制冷状态下冷热负荷与地（温）能开采强度的关系；在不断试验的基础上
优化换热器材和供暖系统，提高热泵系统的效率，降低成本。
根据前述的“选择原则”，确定了2个地源热泵项目，具备相对较好的条件来建立监测站（见表1），基本能达到
根据前述的“选择原则”，确定了2个地源热泵项目，具备相对较好的条件来建立监测站（见表1），基本能达到
对地下温度场影响变化进行监测的目的。
1.3 监测点的选择
本次工作选取的监测点分布在北京平原区不同的水文地质单元和不同的行政区划单元中。具体的分布见图1。
2 监测站网建设
监测站网的布设符合“控制中心—监测站”的构建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站、
监测点上传的监测信息。监测站和监测点的布设远离控制中心，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命
令，及时有效地反馈系统运行的状态[5]。
监测站网布设是以典型的地埋管地源热泵系统适宜区和地下水地源热泵系统适宜区分别建设地埋管地源热泵系统
监测站和地下水地源热泵系统监测站；在不同的水文地质单元和行政区划单元内均匀地布设监测点，形成监测站网[6]。
2.1监测站建设
监测站主要有两个。一是依托“用友软件园热泵系统工程”所建的地埋管地源热泵系统监测站；二是依托“北京地质大厦热泵系统工程”所建的地下水地源热泵系统监测站。
2.1.1地埋管地源热泵系统监测站
地埋管地源热泵系统监测站以海淀区用友软件园地埋管地源热泵项目为依托而建设，用友软件园位于中关村永丰产业基地西南端，属于南口冲洪积扇及山前河流冲洪积平原孔隙水系统，区域内第四系较厚，约200m左右。岩性主要以细砂、粘土为主，含水层为多层的细砂层。用友软件园占地面积45.52公顷，总建筑面积29.6万平方米，分两期建设。一期总建筑面积18.4万平方米，需要采暖和制冷的建筑面积近16万平方米。根据用友软件园的冷热负荷分布，结合建设项目的场地情况，布置孔深为120m的换热孔616个，共分A、B、C、D四个区布置。本次监测站项目的监测点全部布置在A区内。
本次工作共钻凿监测孔8眼，其平面分布见图2。选取
地埋管群中心A孔处为研究对象，分析不同方向且距离不同
的两个换热孔之间对周围地温场的影响情况。在A、B、C三
个孔的孔壁处沿深度方向25m、40m、60m、80m、100m以及
120m各布置一个温度传感器[8]，在25m深处A与B、C两孔之
间水平布置两套温度传感器。为了研究换热孔对不同地层
结构的影响，在F孔根据地层的分布情况不同，布置5个温
度传感器；为了监测岩土体冻土层深度，确定土壤换热器水平联络管的埋置深度及水平联络管是否需要保温，在D点
位置沿深度方向0.5m，
1.0m，1.5m，2.0m处布置测温元件；为了研究埋置土壤
换热器区域地温场外围的地层受地埋管地源热泵系统运行长
期运行的影响变化，在孔群外侧的H孔处沿深度方向25m、
40m、60m、80m、100m以及120m布置一组测温元件。 本项目
在监测孔中布设一体化温度传感器57个，其分布情况见温度
传感器布设示意图（图3）。
2.1.2 地下水地源热泵系统监测站
地下水地源热泵系统监测站以北京市地质大厦地下水地
源热泵项目为依托而建设，北京市地质大厦(以下简称地质
大厦)位于北京市海淀区北高庄，属于永定河冲洪积扇中上
部，85m以上含水层累计厚度约70m，岩性以卵砾石含漂石的
为主，其水文地质条件*，渗透性和富水性好。项目占地
面积5800m 2 ，总建筑面积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。本次工作共钻凿监测
孔7眼，其平面分布见图4。
本项目共在抽灌井及监测孔中布设一体化温度传感器30个、液位传感器2个，其分布情况见图5的温度传感器布
设示意图。
2.2 监测点的建设
本次工作共建设20个地埋管及地下水地源热泵系统监测点。监测点分两类：一类为钻孔监测点（通过钻孔埋置
温度传感器），有6处；另一类为总管监测点（在地源热泵系统进出水总管上安装温度传感器），有14处。
2.3 地热温度GPRS无线采集系统地热温度GPRS无线采集系统，主要由两大部分组成：硬件结构和软件结构。硬
件部分安装简单，流量值储存在以SQL SERVER2000为基础的数据库平台上。系统软件的操作平台是WindoP，采用
128点组态软件。通过上位机软件，数据可以以EXCEL的形式导出。地热温度GPRS无线采集系统软硬件结合可以实
时、准确、连贯、完整的将温度、流量值上传到服务器中，并以上位机的形式实现监控，配以相关的模拟图，直观
地了解各个传感器所在的地层的温度情况[7]。
3 浅层地温能开发利用对地质环境影响程度的初步分析
在本项目中，在每个监测孔布设温度传感器，是为了监测系统运行、停止过程中，埋管群内部、外部不同深度
地层的温度变化，并通过监测数据计算恒温面深度和冻土层的厚度；在地源热泵系统进出水总管安装温度传感器，
是为了监测系统运行、停止过程中进出水总管的温度变化。通过监测地源热泵系统的温度变化，初步评估浅层地
（温）能资源的开发利用对地质环境的影响。
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选取A测点在2008年6月至10月间的监测数据（图6～图8）进行分析。可以得出：
（1）6-10月份期间，A测点高温度值27.4℃，整个系统从6月9日开始进行制冷，10月份
停止制冷。
（2）6-8月系统运行过程中，A测点岩土体温度随系统起停而波动，大日变化幅度6℃左右。不同深度温度变
化规律、变化幅度均相同。
（3）在6-10月监测数据显示，40m深处的温度值较其他深处温度值偏高，这是由于A测点在40m深处岩性为砂质
粉土，阻碍了放热。
（4）10月份为制冷后的过渡季节，各深度的地温场平均下降1℃左右，监测数据中出现部分的畸变点，可能是
由于系统的非正常起停造成的。
（5）从运行数据曲线可以看到，在夏季空调运行过程中，各测点温度值随系统的起停而波动，随着空调运行时
间的增加和热负荷的变化，岩土体温度值在7月下旬至8月中旬高，9月逐渐回落到6月上旬水平。在过渡季节岩土
体温度场不断趋于平稳至岩土体原始温度。10月底各深度平均温度已恢复到6月8日的13.5℃左右。
通过初步监测数据的初步分析，可以得出：
①在土壤温度场变化与深度的关系方面：
一般情况下，各测点不同深度的温度值沿深度方向逐渐增加。但是从个别测点不同时刻温度随深度变化曲线中
得出，个别测点的一定深度处温度低于其他测点同一深度处的温度值，这可能是由于该地层存在较强的地下水流
动，使得该地层的热量较快的被带走，温度维持相对低值。
②在夏季空调运行过程中，各测点温度值随系统的起停波动，随着空调运行时间的增加，土壤温度值较原始温
度值均有升高和降低的趋势，在10月份左右的过渡季节土壤温度场不断恢复。说明地温变化与系统的换热功率相
关，夏天换热功率越大，地温上升越高；冬天换热功率与地温呈负相关，取热功率越大，管内温度越低。
4 结论与建议
（1）通过在北京平原区对浅层地温能利用采用网络化管理的方法，实现了对地下温度场的观测，通过中心站监
测系统基本的运行状态，直观地反映自然条件下不同深度、不同地层的地温场响应特征。合理协调地源热泵系统内
部各个设备的运行，充分发挥系统的大能效。
（2）采用地温GPRS无线远程传输系统对地源热泵系统进行监测，实现了现场数据的远程传输，获取了实际运行
的热泵项目地区的地温场的实测数据。对数据的初步分析显示：较强的地下水流动，会影响测点一定深度的温度
值；空调系统间断运行时，地温场呈现相应的变化，体现出快速恢复的特征；当空调系统长期连续运行时，地温场
较原始温度值均有所升高或降低；在过渡季节地温场可以逐渐恢复至原始温度。
（3）建议增加浅层地温能监测站点的数量和监测项目，全面分析地源热泵系统的运行对环境的影响。通过开展
与地质环境有关的对地温场、地下水温、水位、水质的变化及由于开采浅层地温能引起的其它环境变化等方面的监
测，达到科学、合理、慎重、有效地推广使用浅层地温能资源的目的。
（4）建立浅层地温能资源评价的动态管理系统。浅层地温能资源评价和区划研究，对于政府规划、指导浅层地
温能利用意义重大。随着浅层地温能资源地质勘查项目的深入开展和地源热泵项目的不断实施，必将产生大量的基
础数据、实践成果和监测数据，在此基础上，建议建立浅层地温能资源评价的动态管理体系，进一步促进浅层地温
能的良性发展。
参考文献
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[3] 刘印春等. 北京市平原区浅层地温能资源评价及利用规划研究报告[M]. 北京市地质勘察技术院，2008.
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[8] 徐行 施小斌 罗贤虎等. 南海北部海底地热测量的数据处理方法[J]. 现代地质. 2006(03).
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