水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對地下水環(huán)境的影響

廖榮,丁躍元,劉立才,羅遵蘭

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.北京市水務(wù)局,北京 100038;3.北京市水利科學(xué)研究所,北京100044;4.中國環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012)

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行制冷和供暖的采能技術(shù),最早出現(xiàn)于美國20世紀(jì)40年代,由于其環(huán)境效益顯著,運行效率較高,在歐洲及美國迅速發(fā)展[1]。我國于20世紀(jì)末引入該技術(shù),在北京、上海及廣州等地得到了推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計,僅北京地區(qū)的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已達(dá)400余家,服務(wù)建筑面積達(dá)400萬m2。地下水源熱泵系統(tǒng)主要由地下水抽灌井、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)終端組成,以地下水為介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞,形成抽灌井間水熱循環(huán)、熱泵機(jī)組水熱循環(huán)及室內(nèi)空調(diào)水熱循環(huán)等三個水-熱耦合循環(huán)。在夏季制冷期,熱泵系統(tǒng)將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)入地下水,在冬季供暖期則利用地下水熱量為室內(nèi)供暖。熱泵系統(tǒng)在運行期間,需抽灌地下水完成熱量轉(zhuǎn)移,對抽灌區(qū)的地下水動力場、地溫場及地下水水質(zhì)等方面會造成一定影響。筆者根據(jù)北京市多個地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)資料,對熱泵系統(tǒng)運行過程中地下水動力場影響范圍、地溫場變化、地下水水質(zhì)及細(xì)菌變化進(jìn)行分析研究。

1 地下水動力場影響范圍的確定

熱泵系統(tǒng)的運行對地下水環(huán)境最直接的影響為地下水流場和溫度場的變化。含水層熱量傳遞方式主要為熱對流和熱傳導(dǎo),地下水的熱導(dǎo)率約為0.6W/(m?℃),低于含水層介質(zhì)的,單純地下水的熱傳導(dǎo)作用對熱量傳輸?shù)呢暙I(xiàn)不大。但地下水的比熱較大,是良好的天然載熱流體。在地下水流動較為活躍的地區(qū),地下水的熱對流作用十分顯著,對區(qū)域地溫場的分布起著主導(dǎo)作用[2-6]。因此,估算出地下水抽灌引起的水動力場影響范圍,即可判斷分析地下溫度場的影響范圍。

地下水水源熱泵系統(tǒng)一般為群井抽灌,在等量抽灌的條件下,利用地下水動力學(xué)中的泰斯井流和疊加原理可計算出抽灌井群的地下水動力場影響范圍。假定熱泵應(yīng)用場的抽水井?dāng)?shù)為 n,回灌井?dāng)?shù)為m,地下水抽灌循環(huán)量為Q(m3/d)。因地下水抽灌要求同層回灌,不論抽灌井穿過幾個含水層,均可以根據(jù)各含水層的滲透系數(shù)和厚度,求得利用含水層的等效滲透系數(shù),等效滲透系數(shù)與含水層總厚度的乘積即為等效導(dǎo)水系數(shù)Te(m2/d)。假定場地等效含水層的彈性貯水系數(shù)為 μ,場地任一點距第 i眼抽水井的距離為ri(i=1,2,3,…,n),距第j眼回灌井的距離為Rj(j=1,2,3,…,m)。根據(jù)泰斯井流公式,第i眼抽水井作用于場地任一點的水位降深為

根據(jù)疊加原理,所有抽水井作用于任一點處的水位總降深為

假定抽水與回灌同步,二者之間沒有時間差,依然根據(jù)疊加原理,所有回灌井作用于任一點處的水位總降深為

再據(jù)疊加原理,所有抽水井和回灌井作用于場地任一點處的水位總降深為

根據(jù)推導(dǎo)出的水位總降深S公式,其中沒有時間t與彈性貯水系數(shù)μ項,這表明,因地下水抽灌平衡,沒有消耗地下水資源的儲存量,抽灌過程中抽灌場地的地下水動力場是穩(wěn)定的。由任一點的水位總降深公式,可利用相關(guān)軟件繪制抽灌場地的水位降深等值線圖。根據(jù)水位總降深S公式,距離抽灌場地越遠(yuǎn),任一點距抽水井的距離與距回灌井的距離趨于相等,為此,抽灌場地的地下水動力場影響范圍以多大的降深值為界限值得關(guān)注。一般可以認(rèn)為,以±5～10cm為界限較為適宜。

如果抽出的地下水不能實現(xiàn)完全回灌,消耗了地下水儲存量,則抽灌場地任一點處的水位降深將與熱泵系統(tǒng)運行時間t、含水層的釋水系數(shù) μ有直接關(guān)系,地下水抽灌引起的地下水動力場的影響范圍將大于等量抽灌條件下的影響范圍。

根據(jù)上述推導(dǎo)出的抽灌場地水位降深計算公式,以北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對象,進(jìn)行了觀測井的水位降深驗證,計算降深與實測降深基本一致。該項目為兩抽三灌,共有5組觀測井,以2#觀測井為例,該井與抽水井距離分別為41m、94m,與回灌井距離分別為64m、37m、30m,其水位變幅計算值為20cm,實測值為17cm。

2 對地下溫度場的影響

熱泵系統(tǒng)運行周期分為4個階段,即夏季制冷期、間歇期、冬季供暖期、間歇期,地下水溫度隨著運行階段的變化也將發(fā)生周期性的上升和下降。北京市海淀區(qū)某地下水源熱泵項目為一抽兩灌,抽水井與1#回灌井的距離為50m,與2#回灌井的距離為20m。冬季利用1#回灌井回灌,夏季利用2#回灌井回灌。根據(jù)運行過程中蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出水的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),在冬季供暖期,熱泵系統(tǒng)從地下提取熱量,使地下水回水的溫度降低,進(jìn)而使含水層的溫度降低。由于抽灌井之間的距離較大,低溫回灌水基本沒有影響到抽水井,抽水井的溫度一直保持在14.5℃左右(圖1)。而在夏季制冷期,熱泵系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)含水層,致使地下水回水溫度升高,因抽灌井之間的距離較短,在短時間內(nèi)就發(fā)生了“熱突破”現(xiàn)象,抽水井的溫度隨著回灌井溫度的升高而升高(圖1)。

圖1 地下水進(jìn)出口和室內(nèi)空調(diào)水進(jìn)出口溫度變化

圖2 北京市豐臺區(qū)某水源熱泵抽灌井分布示意圖

根據(jù)熱泵系統(tǒng)不同運行階段對地下水溫度的影響,進(jìn)一步認(rèn)為,熱泵系統(tǒng)初始運行期是夏季還是冬季,制冷期注入地下的熱量與采暖期自地下采出的熱量是否平衡,直接影響熱泵應(yīng)用場地地下溫度場的變化,并極有可能影響到熱泵系統(tǒng)的運行效率。由于缺乏長期觀測資料,采用熱傳遞數(shù)值法模擬預(yù)測上述各種情況的地下溫度場變化?，F(xiàn)以北京市豐臺區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對象,采用有限差分法(FDM)數(shù)值模擬方法[7],選用HST3D模擬軟件,模擬預(yù)測不同運行工況下10a運行期的地下溫度場變化。HST3D軟件可模擬地下水滲流、溶質(zhì)運移和熱傳遞[8],在研究北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)場地的地下溫度場變化時曾使用過[9],驗證了該軟件的正確性。

豐臺區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要用于辦公區(qū)和生活區(qū)的制冷和供暖,該項目共有2個抽水井,4個回灌井,抽灌井布局如圖2所示。冬季供暖負(fù)荷為1790kW,兩抽四灌,抽灌量為5280m3/d,運行時間為120d。夏季制冷負(fù)荷為740kW,一抽(1#)兩灌(3#、4#),抽灌量為2184m3/d,運行時間為90 d。項目場區(qū)第四系地層厚度為72.5m,地層呈中粗砂、砂礫石與粉質(zhì)黏土交互,共有5個含水層,含水層的總厚度為34m,下部隔水層為寒武系頁巖。場地的地下水靜水位埋深為17.5m。水文地質(zhì)與熱力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及當(dāng)?shù)氐某樗囼灁?shù)據(jù)和熱力學(xué)試驗結(jié)果選取,自上而下各地層參數(shù)見表1。根據(jù)這些參數(shù),可直接模擬預(yù)測不同工況下的地下溫度場變化。

表1 各地層水文地質(zhì)參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果表明,熱泵系統(tǒng)起始運行期的選擇及年內(nèi)冷熱量是否平衡對抽灌區(qū)地溫場具有重大影響,對熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)實應(yīng)用具有趨利避害的重要指導(dǎo)作用。

模擬工況1:假設(shè)熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷均為1790kW,供暖期與制冷運行時間相等,抽灌量均為5280m3/d,地下水溫度初值為15℃。分別以冬季供暖期及夏季制冷期為起始運行期,模擬熱泵系統(tǒng)運行過程中應(yīng)用場地地溫場的歷時變化,模擬結(jié)果如圖3。由圖3可見,熱泵系統(tǒng)的起始運行期對地溫場的影響主要表現(xiàn)為,如果起始運行期為冬季供暖期,則在后期運行中,地溫場的平均溫度低于背景值15℃,而起始運行期為夏季時,則高于背景值15℃。此外,建筑物所需冷熱量平衡條件下,熱泵系統(tǒng)在長期運行過程中,地溫變化在高低循環(huán)往復(fù)中較為平穩(wěn),未呈現(xiàn)出趨冷或趨熱的變化。

圖3 不同起始運行期地下水溫度變化曲線

模擬工況2:熱泵在保持現(xiàn)狀冷熱負(fù)荷及運行時間的條件運行,地下水溫度初值為15℃。模擬結(jié)果如圖4所示,可以看出,在熱泵系統(tǒng)長期運行過程中,地溫在高低循環(huán)往復(fù)變化中呈降低趨勢,并漸趨平穩(wěn)?？梢?當(dāng)建筑物所需熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷時,每年都要消耗場地的部分淺層地?zé)崮芤詽M足建筑物采暖要求,從而導(dǎo)致熱泵場地的溫度降低。在消耗部分淺層地?zé)崮艿耐瑫r,周圍的熱量不斷向抽灌場地傳遞,地溫場影響范圍不斷增加,久而久之,外圍傳遞進(jìn)來的熱量與消耗的淺層地?zé)崮軡u趨平衡,地溫變化漸趨平穩(wěn)。

模擬工況3:假設(shè)熱泵系統(tǒng)冷負(fù)荷為1790 kW,熱負(fù)荷為740kW,地下水溫度初值為15℃。模擬結(jié)果如圖4,可以看出,當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷時,每年都要向地下儲存部分地?zé)崮?致使地溫呈上升趨勢,并漸趨平穩(wěn)。

圖4 冷熱負(fù)荷失衡條件下地下水溫度變化曲線

由上述地下溫度數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)建筑物所需冷熱負(fù)荷平衡時,因場地溫度變化較為穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)趨高或趨低的現(xiàn)象,夏季、冬季均可以作為熱泵系統(tǒng)運行的起始期。而當(dāng)熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷時,消耗部分場地淺層地?zé)崮?年際運行過程中場地溫度呈降低趨勢,熱泵系統(tǒng)運行起始期應(yīng)選在夏季;當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷時,儲存部分熱量于地下,年際運行過程中場地溫度呈升高趨勢,熱泵系統(tǒng)運行起始期應(yīng)選在冬季。

3 對地下水水質(zhì)的影響

在熱泵運行期間,抽灌區(qū)地下水流場及地下水溫度均會發(fā)生變化。為了解熱泵系統(tǒng)運行過程中地下水水質(zhì)的變化,對北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了為期5個月的觀測,觀測時間為2003年11月19日～2004年2月26日,期間熱泵系統(tǒng)處于冬季運行狀態(tài),筆者選取距離抽灌區(qū)最近觀測井為研究對象,觀測期間該井溫度從14.5℃(2003年 11月12日)降至 9.5℃(2002年2月19日),各指標(biāo)變化情況如表2所示。

值得注意的是,在供暖期觀測井中“三氮”質(zhì)量濃度變化具有較強(qiáng)的規(guī)律性,質(zhì)量濃度不斷升高,而和的質(zhì)量濃度則不斷降低,如圖5所示。這是由于該觀測井距回灌井最近,回灌過程中空氣隨回灌水進(jìn)入含水層,和在硝化菌的參與下被氧氣硝化為導(dǎo)致“三氮”質(zhì)量濃度的上述變化規(guī)律。

圖5 NO3--N、NO2--N、NH4+-N 質(zhì)量濃度歷時變化曲線

總之,供暖期的各觀測孔的水質(zhì)變化表明,在熱泵系統(tǒng)運行過程中,地下水水質(zhì)質(zhì)量濃度沒有發(fā)生大的改變,較為穩(wěn)定。

4 對微生物生長的影響

在地下水環(huán)境中,溫度是影響細(xì)菌生長的重要指標(biāo)。根據(jù)北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)水源熱泵運行期間的觀測,地下水的溫度變化對大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)的影響較為明顯。從所有觀測孔的地下水溫度與大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的散點圖(圖6、圖7)及其包絡(luò)線可以看出,大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)的高值區(qū)域相對集中于溫度為13.2℃兩側(cè)的小范圍內(nèi),隨著溫度向兩側(cè)趨高和趨低,大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)均呈降低的態(tài)勢,大致符合正態(tài)分布。

表2 監(jiān)測指標(biāo)質(zhì)量濃度

圖6 地下水溫度與大腸桿菌數(shù)散點圖

圖7 地下水溫度與細(xì)菌總數(shù)散點圖

地下水中的細(xì)菌容量包絡(luò)線隨地下水溫度的變化呈正態(tài)分布的變化趨勢,可擬合出兩者間的正態(tài)分布曲線。大腸桿菌容量與溫度的關(guān)系式為:

細(xì)菌容量與溫度的關(guān)系式為:

伴隨著水源熱泵系統(tǒng)制冷供暖的交替運行,地下水溫度也不斷發(fā)生變化,尤其在回灌井附近區(qū)域,地下水溫度的高低交替變化非常顯著,地下水溫度始終處于動態(tài)變化之中。溫度太高或太低,都會抑制細(xì)菌群體的生長速率。

5 結(jié) 論

熱泵系統(tǒng)場地觀測資料及地下溫度場的數(shù)值模擬表明,系統(tǒng)運行對地下水流場、溫度場、水質(zhì)及微生物生長均會產(chǎn)生一定的影響。

a.水源熱泵場地地下水的抽灌將引起地下水流場的變化,抽灌平衡時地下水流場的影響范圍主要與含水層導(dǎo)水系數(shù)、抽灌量及與抽灌井距離有關(guān)。

b.冷熱負(fù)荷平衡可使熱泵系統(tǒng)保持較高運行效率,利于系統(tǒng)長期運行。冷熱失衡條件下,含水層良好的儲能特性受到抑制,抽灌區(qū)地下水趨冷或趨熱,影響熱泵運行效率。

c.當(dāng)建筑物所需年內(nèi)冷熱負(fù)荷不平衡時,如熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷,熱泵系統(tǒng)運行起始期應(yīng)選在夏季;如當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷,熱泵系統(tǒng)運行起始期則應(yīng)選在冬季。

d.在熱泵系統(tǒng)運行過程中,地下水水質(zhì)濃度變化不大。不受含水層氧化還原環(huán)境影響的較穩(wěn)定的化學(xué)組分水質(zhì)濃度變化平穩(wěn);而“三氮”受空氣進(jìn)入含水層影響,呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

e.細(xì)菌容量與地下溫度之間的正態(tài)分布關(guān)系表明,場地溫度或高或低均不利于細(xì)菌的生長。

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