地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件分析

胡桂秋

(承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北承德067000)

地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件分析

胡桂秋

(承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北承德067000)

對(duì)影響地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的水文地質(zhì)條件、建筑物負(fù)荷特性、周邊環(huán)境及場(chǎng)地條件等因素進(jìn)行分析，提出了適宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)的條件。

地下水地源熱泵系統(tǒng);水文地質(zhì)條件;負(fù)荷特性

地下水地源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的一種形式，是以地下水體為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)、地下水換熱系統(tǒng)、建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)熱泵系統(tǒng)，如圖1所示。

地下水地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的采暖空調(diào)系統(tǒng)相比具有較好的節(jié)能性、顯著的環(huán)保效益、良好的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，但其應(yīng)用是有條件的，不是任何地區(qū)都適合采用該系統(tǒng)。地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的條件主要包括水文地質(zhì)條件、建筑物冷熱負(fù)荷條件、周邊環(huán)境及場(chǎng)地條件。本文對(duì)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件進(jìn)行分析，為地下水地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是決定能否采用地下水地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，控制了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1.1 基本的水文地質(zhì)條件

基本的水文地質(zhì)條件主要為場(chǎng)地含水層巖性、埋深和厚度、地下水位埋深、流向流速和水溫、水質(zhì)情況。

1)含水層的主要參數(shù)為巖性、埋深、厚度及分布。一般地下水地源熱泵系統(tǒng)的含水層為中細(xì)砂以上含水層，含水層顆粒越大，含水層的滲透系數(shù)(指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位斷面的流量，一般用來(lái)衡量地下水在含水層中徑流的快慢)越大，對(duì)單井出水量和回灌量影響也很大，通常情況，粗砂以上含水層滿足出水量的同時(shí)，具有較好的回灌特性，粗砂以下的含水層，即使能夠抽取相當(dāng)?shù)乃浚毓嗄芰σ脖容^差。不同巖性含水層滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表1。

表1 不同巖性含水層滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值/(m·d－1)

含水層埋深將直接影響系統(tǒng)的造價(jià)。含水層埋置深，勢(shì)必造成熱源井深度加大，增加熟源井的成井費(fèi)用。并且深度到一定程度后，有可能出現(xiàn)地層膠結(jié)現(xiàn)象，影響含水層的出水量和回灌量。此外，隨含水層埋深增加，系統(tǒng)抽水成本也將增加。

含水層厚度也是決定水資源的一個(gè)重要因素。含水層太薄，將影響熱源井單井出水量。如為了滿足工程項(xiàng)目的需水量而增加熱源井，不僅增加系統(tǒng)成本，也受制于場(chǎng)地可利用面積。

2)地下水水位埋深與能否采用地下水地源熱泵系統(tǒng)密切相關(guān)。如果地下水位埋深較淺，雖然抽水井可能較淺，抽水成本可能降低，但熱源井的回灌效果將大大降低。因此，在地下水地源熱泵系統(tǒng)中，不能只單獨(dú)考慮含水層能否提供要求水量，還要考慮在這樣的水文地質(zhì)條件下，回灌效率和回灌量能否滿足要求而不造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。另外，地下水位埋深不單要考慮勘察時(shí)的水位，還要考慮歷史水位，分析、預(yù)測(cè)場(chǎng)地及其周圍地區(qū)地下水位的未來(lái)變化。

3)地下水的流向與流速工程場(chǎng)區(qū)的地下水的流向與流速對(duì)了解水文地質(zhì)條件很有幫助，通過(guò)對(duì)流向與流速的分析可以知道工程場(chǎng)區(qū)地下水補(bǔ)給和排泄關(guān)系，地下水補(bǔ)給能力，這與熱源井的布置有很大關(guān)系。熱源井的布置應(yīng)優(yōu)先選擇垂直于地下水流方向;在地下水流速較大的工程場(chǎng)區(qū)，適當(dāng)增加井間距。

4)地下水溫度和水質(zhì)地下水溫度是影響水源熱泵效率的主要因素，不同地區(qū)的地下水溫差別很大，一般約比當(dāng)?shù)貧鉁馗?～2℃。如北京地區(qū)的地下水溫度為14～20℃，而哈爾濱為8～10℃;一般認(rèn)為20℃左右時(shí)，水源熱泵機(jī)組的制冷和制熱將處于最佳工況點(diǎn)。地下水水質(zhì)是直接影響水源熱泵機(jī)組的使用壽命和制冷(熱)效率的第二個(gè)因素，也是引起腐蝕的根源因素。系統(tǒng)對(duì)地下水水質(zhì)的基本要求是:澄清、水質(zhì)適宜穩(wěn)定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結(jié)垢等。但當(dāng)水質(zhì)達(dá)不到要求(含沙量量(1/20 000，渾濁度＜20mg/L，Ca2+、Mg2+總礦度＜200mg/L)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施。

1.2 適宜的水文地質(zhì)條件

適用地下水地源熱泵系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件為:含水層具備一定的滲透性，滲透系數(shù)較大，含水層厚度大，貯水容積大，無(wú)異常地溫梯度現(xiàn)象;含水層上下隔水層要有良好的隔水性，小的隔水層滲透系數(shù)，以避免與近含水層短路，造成能量流失，形成良好的保溫層;地下水抽取和回灌，對(duì)地下水水質(zhì)影響應(yīng)向好的方向發(fā)展，不能引起其他不良的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象，如地面沉降、土地的沉陷后沙土鹽堿化等?？偨Y(jié)起來(lái)就是含水層必須具備“易抽水、易回灌、易儲(chǔ)存”的條件。

1)易抽水?！耙壮樗敝饕菍?duì)熱源井抽水的水文地質(zhì)條件提出的要求。

單從理論上來(lái)說(shuō)，只要有水的地方就可以取水，但從可操作性和經(jīng)濟(jì)性角度看，不是地下所有的地下水都可以取用。水源熱泵系統(tǒng)的熱源井抽水更是受到水文地質(zhì)限制，只有在合適的水文地質(zhì)條件下，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理。

工程場(chǎng)區(qū)熱源井的取水地段應(yīng)位于富水性好的含水層。含水層層數(shù)多、厚度大、滲透性強(qiáng)、分布廣的地段上管井取水效果好。而這樣的地段多位于沖積扇的中、上游的砂卵石層，河流的沖積階地和高漫灘，沖積平原的古河床，厚度較大的層狀與似層狀裂隙和巖溶含水層，規(guī)模較大的斷裂及其它脈狀基巖含水帶。

工程場(chǎng)區(qū)熱源井的取水地段應(yīng)具有較好的補(bǔ)水條件。取水地段應(yīng)有較好的匯水條件，在最大限度攔截區(qū)域地下徑流的地段，或接近補(bǔ)給水源和地下水排水區(qū)，能夠充分奪取各種補(bǔ)給量的地段。在松散第四系沉積層分布區(qū)，管井避免位于沖積扇的靠近山前的位置，而靠近有水河流兩側(cè)是地下水優(yōu)選地。

工程場(chǎng)區(qū)熱源井的取水地段位于地下水保障地段。城市建設(shè)取用大量的地下水，地下水位在區(qū)域上存在一定的降低，而這種沉降在中國(guó)的許多城市是相對(duì)普遍存在的，因此取水地段不能位于地下水位下降對(duì)水源有影響的地段。例如，許多沖洪積水的上流，地下水位的下降，含水層厚度隨著時(shí)間變化而變化，在有些時(shí)段內(nèi)，地下水源可能沒(méi)有保障，取水就是不可取的。

2)易回灌。適用熱源井回灌的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是“易回灌”。

不同的含水層具有不同的回灌效率，從單井回灌量大于單井出水量，到單井回灌量遠(yuǎn)小于單井出水量，在實(shí)際的含水層中都是存在的?？紤]到熱源井的回灌效率和工程可行性，適于回灌的水文地質(zhì)條件大致如下。

含水層厚度大、滲透性強(qiáng)的地層適于回灌。回灌量的大小與含水層的厚度和滲透性直接相關(guān)，含水層厚度大和滲透性強(qiáng)的地段，回灌量大，最適于水源熱泵系統(tǒng);含水層厚度小而含水層的滲透性強(qiáng)的地段，單井回灌量和出水量也比較大，也基本可以滿足工程本身的要求;含水層厚度大而含水層的滲透性弱的地段，雖然單井出水量可能較大，但回灌量相對(duì)較小，一抽二灌、甚至一抽三灌、四灌都是有可能的，并且回灌井的回?fù)P時(shí)間間隔相對(duì)較短;含水層厚度小而含水層的滲透性弱的地段，完全不適于地下水回灌。

地下水具有較好徑流排瀉的地段適于回灌。地下水回灌到地下，應(yīng)能夠快速消化回灌的水量，而不能在一定范圍內(nèi)積聚，形成水丘，因此，回灌層位應(yīng)具有相當(dāng)大的范圍，回灌水可以通過(guò)徑流進(jìn)入含水層中而不使含水層中的地下水為快速升高。

地下水位低的地段適于回灌?；毓嗔康拇笮〕伺c含水層的厚度和滲透性有關(guān)外，還與水位升高的幅度成正比。因此，初始地下水位降低的地段進(jìn)行管井回灌，具有了水位不斷升高的條件，可以滿足較大流量的回灌和相對(duì)較大時(shí)間的回灌?；鶐r裂隙和巖溶含水層適于回灌。在基巖地區(qū)，只要具有一定的滲透性和儲(chǔ)水空間，一般情況下，就可以進(jìn)行管井回灌。

3)易儲(chǔ)存?！耙變?chǔ)存”則是指適于蓄能的水文地質(zhì)條件。

單從儲(chǔ)能的角度看，儲(chǔ)能效果要較好，含水層應(yīng)比較平緩，顆粒較細(xì)，地下水流速緩慢。在這樣的地區(qū)，由于地下土層的傳熱性和散熱性比較緩慢，所以灌入含水層內(nèi)的高溫水(低溫水)儲(chǔ)藏幾個(gè)月后，抽出時(shí)水溫變化不大仍能保持較高(低)水溫。而對(duì)水源熱泵系統(tǒng)，抽水井與回灌井同時(shí)工作，地下水天然流動(dòng)速度越大，則系統(tǒng)停運(yùn)期抽水井溫度恢復(fù)越快，在系統(tǒng)冬夏兩季抽水一回灌井交替使用的情況下，可能反而不利于儲(chǔ)存能量的提取。在沖積扇地區(qū)，在沖洪積扇頂部，適于采取大口井回灌，以增加地下水補(bǔ)給源，但回灌效果較差，因回灌的水易流失;而在沖積扇的中下部適于進(jìn)行回灌儲(chǔ)能。

此外，使用地下水地源熱泵系統(tǒng)還需要考慮地質(zhì)災(zāi)害對(duì)其影響。依據(jù)國(guó)土資源部的調(diào)查結(jié)果，我國(guó)許多地區(qū)的地下水位呈下降趨勢(shì)，這種情況下，必須分析使用地下水地源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水位降落漏斗惡化的可能性。在地面沉降嚴(yán)重地區(qū)，需慎重采用地下水地源熱泵系統(tǒng)，以避免不均勻沉降引起系統(tǒng)地下部分的損毀;在有構(gòu)造斷裂的地區(qū)還需要考慮構(gòu)造的影響;在山區(qū)還需分析崩塌、滑坡、泥石流等發(fā)生的可能性，以避免應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)遭受地質(zhì)災(zāi)害影響或引發(fā)、加劇區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害。

2 建筑物冷熱負(fù)荷條件

建筑物冷熱負(fù)荷是決定能否采用地下水地源熱泵系統(tǒng)的另一重要條件。如在嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，晝夜溫差大，極端氣溫較低，一般建筑熱負(fù)荷比較大，制冷使用時(shí)間較短，采用地下水地源熱泵系統(tǒng)主要用于冬季供熱，單從熱泵利用角度看，這樣的地區(qū)利用地下水地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)越性相對(duì)不是很大。即使在同一地區(qū)，不同用途的建筑物冷熱負(fù)荷特性也不同，如全年基本要求供冷的建筑也不適合采用地下水地源熱泵系統(tǒng)。

影響建筑物冷熱負(fù)荷的因素相當(dāng)多，包括自然地理及氣候條件、建筑的熱工參數(shù)等，綜合起來(lái)，適宜使用地下水地源熱泵系統(tǒng)的建筑物理想的冷熱負(fù)荷條件為:最大冷負(fù)荷與熱負(fù)荷相差不大，低負(fù)荷率分布不是特高，年累計(jì)冷負(fù)荷和年累計(jì)熱負(fù)荷接近。

1)考慮到設(shè)計(jì)時(shí)水源熱泵機(jī)組、水泵、系統(tǒng)末端設(shè)備的選擇及利用率，建筑物最大冷負(fù)荷與熱負(fù)荷應(yīng)相差不大，低負(fù)荷率分布不高。如一些地區(qū)的有些建筑最大冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大熱負(fù)荷，甚至是最大熱負(fù)荷的數(shù)倍，就會(huì)導(dǎo)致水源熱泵系統(tǒng)的水源熱泵機(jī)組、水泵、系統(tǒng)末端設(shè)備、熱源井等在供熱季的利用效率極低，使得系統(tǒng)一機(jī)多用的優(yōu)點(diǎn)得不到有效發(fā)揮。這是因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般都按最大冷、熱負(fù)荷來(lái)進(jìn)行設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)。另外，這種狀況下水源熱泵系統(tǒng)的初投資與傳統(tǒng)的鍋爐加制冷機(jī)系統(tǒng)相比將大大增加，使得其在經(jīng)濟(jì)性方面失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同樣，低負(fù)荷率分布特高時(shí)也會(huì)存在系統(tǒng)設(shè)備利用率過(guò)低，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題。

2)為減少長(zhǎng)期使用水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下熱環(huán)境產(chǎn)生的影響，建筑物年累計(jì)冷負(fù)荷和年累計(jì)熱負(fù)荷要接近。雖然水源熱泵系統(tǒng)對(duì)冷、熱負(fù)荷的平衡要求沒(méi)有像地埋管地源熱泵系統(tǒng)那么嚴(yán)格，但并不是說(shuō)其不用考慮。冷、熱負(fù)荷的平衡同樣會(huì)對(duì)地下水的溫度場(chǎng)和熱環(huán)境變化產(chǎn)生影響，甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，而這些影響一旦形成，要挽回往往會(huì)付出很大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)代價(jià)，甚至無(wú)法挽回。當(dāng)然對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，年累計(jì)冷、熱負(fù)荷是否接近關(guān)系到是否需采取輔助熱源或冷卻塔等問(wèn)題

3 周邊環(huán)境及場(chǎng)地條件

周邊環(huán)境包括鄰近工程場(chǎng)區(qū)的建筑情況、地下水地源熱泵系統(tǒng)使用情況、水井情況(包括熱源井)、重要管線等基礎(chǔ)設(shè)施情況以及場(chǎng)地所在區(qū)是否為敏感地區(qū)(如水源保護(hù)區(qū)、地下水污染區(qū)等)。這些都是選擇地下水地源熱泵系統(tǒng)的制約因素。如鄰近工程場(chǎng)區(qū)已使用抽水量較大的地下水地源熱泵系統(tǒng)，這就要考慮對(duì)本工程場(chǎng)區(qū)使用地下水地源熱泵系統(tǒng)的影響:又如工程處于地下水污染區(qū)，除非污染含水層的水量能夠滿足地下水地源熱泵系統(tǒng)要求，抽水和回灌均在污染含水層中進(jìn)行，否則，工程就要通過(guò)分別設(shè)置水源熱泵系統(tǒng)或單獨(dú)使用優(yōu)質(zhì)水源來(lái)解決。

場(chǎng)地條件主要為場(chǎng)地面積、形狀及坡度，建筑物占地面積及其分布，地下管線和構(gòu)筑物的分布等一系列情況。其中，場(chǎng)地可利用面積大小是影響地下水地源熱泵系統(tǒng)能夠?qū)嵤┑囊粋€(gè)主要因素。因?yàn)榈叵滤卦礋岜孟到y(tǒng)所用的熱源井必須布置在場(chǎng)地范圍內(nèi)，為了保證熱源井和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就必須保證有一定井間距來(lái)布置熱源井，否則達(dá)不到系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論

地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用是有條件的，不能盲目地采用地下水地源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮擬建水源熱泵工程區(qū)域的水文地質(zhì)條件、建筑物負(fù)荷特性、周邊環(huán)境及場(chǎng)地條件是否適宜，充分發(fā)揮地下水地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50366－2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］文力，黃翔.地源熱泵中央空調(diào)應(yīng)用的探討［J］.制冷與空調(diào)，2002，2(4):52－56.

［3］陳超，王陳棟，伍品.地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)的討論［J］.暖通空調(diào)，2008，38(7):86－92.

Application Condition of Groundwater Source Heat Pump Systems

HU Gui-qiu
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Detailed comparisons are made in this paper between hydrogeological conditions，building load characteristics，surrounding environment and site conditions，so that the appropriate application conditions are provided for the ground source heat pump(GSHP)system.

groundwater source heat pump system;energy saving and optimization hydrogeology condition;load characteristics

TB657.2

B

1008-9446(2011)01-0044-04

2010-12-17

胡桂秋(1976－)女，承德隆化人，承德石油高等專科學(xué)校熱能工程系，講師，主要從事暖通空調(diào)類的教學(xué)與科研工作。