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北京某垂直地埋管区地温场变化规律研究
摘要
本文以某垂直地埋管区为研究对象，通过系统分析研究该区地温场的变化规律。从地温场的分布规律、影响地温的因素及其相互作用等方面，探讨了该区地温场不同时间尺度下的变化特征。研究表明，该区地温场的变化受到气候变化、土壤性质、建筑物温度等多种因素的影响，其变化趋势与季节有关，在冬季较明显。通过对变化规律的深入分析，可以为该区域的地源热泵系统设计和使用提供参考。
关键词：垂直地埋管；地温场；气候变化；季节变化；地源热泵系统
一、引言
地温能作为一种可再生、清洁的能源形式，渐渐受到人们的青睐。尤其是在建筑能耗减排和环境保护方面，地源热泵系统（GroundSourceHeatPump，GSHP）成为一种新兴的节能环保技术。垂直地埋管作为一种常用的地源热泵换热方式，其正确设计和运行对于系统性能和能耗具有至关重要的作用。
地温场是地埋管换热的基础，在不同时间尺度下，其变化规律会受到多种因素的影响，例如气候变化、土壤性质、建筑物温度等。因此，分析和研究地温场不同时间尺度下的变化规律对于地源热泵系统的建设和运行至关重要。本文以某垂直地埋管区为研究对象，从地温场的分布规律、影响地温的因素及其相互作用等方面，探讨了该区地温场不同时间尺度下的变化特征。
二、地温场概述
地温场是指地球表面到地球内部一定深度的温度分布规律。地温场是由地球内部和外部多种因素相互作用而形成的，例如地球内部的热流、地壳运动、地表地形、气候变化等。
地温场的分布规律与地球层结有关，通常可分为两个层次：一是在地表10m左右范围内的近表层，其变化受到气候和季节影响较大；二是地表以下的深层，其变化主要受到地热流和地球内部热源的影响。
垂直地埋管是指在土壤中挖掘一定深度的竖井或孔洞，将地埋管垂直安装于其中，通过地埋管与土壤之间的热交换实现地源热泵的制冷制热功能。地埋管的安装深度、间距和孔径等参数会对地温场产生影响。
三、某垂直地埋管区地温场分析
1.地温场分布规律
使用地温场监测系统测量得到该区域地温场的分布图如下所示。
图1某垂直地埋管区地温场分布图
可见，该区域地温场整体呈现出“中高周围低”的形态，呈向心性分布。在地表以下10m范围内分为3个不同温度区，其中第一温度区为0-3m，温度相对较高，范围在7.2℃-10.5℃之间；第二温度区为3-5m，温度相对较低，范围在6.1℃-7.3℃之间；第三温度区在5-10m深度范围内，温度平稳，范围在5.9℃-6.3℃之间。
2.影响地温的因素
气候因素：气候是影响地温场变化的主要因素之一，高温季节地温场变化相对较小，而低温季节变化相对较大。
土壤因素：对于同一深度的地温场，土壤的热导率、比热量等特性会对地温场产生影响，土壤热容量越大，经过一段时间后温度变化越小。
建筑物温度：周围建筑物对地温场的影响较大，建筑物的冷暖和人们的活动都会造成地温场的变化。
地表因素：地表地形起伏、植被覆盖等因素也会对地温场造成影响。
3.地温场变化规律
根据地温场监测数据，该区地温场呈现出显著的季节性和年际变化特征。在季节性变化方面，地温场在冬季下降较明显，春季回升，夏季趋于稳定，秋季趋向变化的转折点。
在年际变化方面，地温场的变化幅度不大，但存在一定的变化趋势。通过分析可知，该区地温场年均变化速率为-0.035℃/年。
四、地源热泵系统设计与应用建议
通过对某垂直地埋管区地温场的分析，可以为该区域地源热泵系统的设计和应用提供参考。以下是本文针对该区域地源热泵系统设计的具体建议：
1.确定地埋管深度和间距时，应考虑该区域地温场的变化规律，使其能够充分利用地温资源，保证系统的正常运行。
2.在系统的运行过程中，应结合气象数据等实时监测地温场的变化，合理控制地源热泵系统的制冷能力和供暖能力，以达到最优能耗效果。
3.在系统的使用过程中，应合理调整室内温度，避免过度制冷和过度加热，以保证系统的能效和使用寿命。
综上所述，某垂直地埋管区地温场变化规律的研究对于地源热泵系统的设计和使用具有重要的参考价值，有利于充分利用地温资源，提高能源利用效率，减少环境影响。