張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵系統(tǒng)的適宜性分析

魏莉莉，張漢婷，毛 岳，錢 會(huì)

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710654;2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000)

張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵系統(tǒng)的適宜性分析

魏莉莉1，2，張漢婷1，毛 岳2，錢 會(huì)1

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710654;2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000)

通過對(duì)張掖地區(qū)與水源熱泵系統(tǒng)相關(guān)的水文地質(zhì)條件的分析，采用層次分析法并結(jié)合MapGis等軟件，通過對(duì)數(shù)據(jù)的歸納分析并進(jìn)行耦合，經(jīng)深入研究和分析得出該地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵系統(tǒng)的適宜性分區(qū)，研究區(qū)以烏江—地區(qū)福利院—二十里鋪一線為界，其東北部水文地質(zhì)條件不適宜地下水源熱泵的利用，而其西南部適宜水源熱泵的開發(fā)利用。

張掖城區(qū);水文地質(zhì)條件;水源熱泵;層次分析法;MapGis;適宜性分區(qū)

自2008年以來，地處干旱區(qū)內(nèi)陸的張掖城區(qū)及其周邊地區(qū)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排及新能源開發(fā)利用的號(hào)召，借助于當(dāng)?shù)氐叵滤Y源豐富、易開采的優(yōu)越條件，大力興建水源熱泵集中供暖系統(tǒng)，并得到了省市有關(guān)部門的大力支持。經(jīng)過三年多建設(shè)，水源熱泵系統(tǒng)(groundwater heat pump，簡稱GWHP)已經(jīng)在該區(qū)取得了一定的發(fā)展，但由于水文地質(zhì)條件所限，在一些不適宜區(qū)盲目建設(shè)水源熱泵系統(tǒng)，不僅使其工效不能充分發(fā)揮而使成本增加，而且浪費(fèi)了寶貴的地下水資源，甚者可能引起地下水污染。因此，本文就張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵系統(tǒng)適宜性進(jìn)行初步分析。

1 水源熱泵工作原理

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芩纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵技術(shù)，通過少量的電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

水源熱泵機(jī)組工作原理是利用其壓縮機(jī)的作用，通過消耗一定的輔助能量(如電能)，在壓縮機(jī)和換熱系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)制冷劑的共同作用下，由環(huán)境熱源(如水、空氣)中吸取較低溫?zé)崮?，然后轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)崮茚尫胖裂h(huán)介質(zhì)(如水、空氣)中成為高溫?zé)嵩摧敵?。在此因壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)做工而消耗了電能，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統(tǒng)中產(chǎn)生不同的變化狀態(tài)和不同的效果(即蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱)，從而達(dá)到回收低溫?zé)嵩粗迫「邷責(zé)嵩吹淖饔煤湍康摹?/p>

地下水源熱泵系統(tǒng)的低位熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。熱泵機(jī)組冬季從生產(chǎn)井提供的地下水中吸熱，提高品位后，對(duì)建筑物供暖，把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱的地方，取熱后的地下水通過回灌井回到地下。夏季，生產(chǎn)井與回灌井交換，將室內(nèi)余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。它取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式，不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，使人們遠(yuǎn)離粉塵、廢氣和霉菌，是一種理想的“綠色環(huán)保能源技術(shù)”。

2 水源熱泵與水文地質(zhì)條件的關(guān)系

在規(guī)劃應(yīng)用及設(shè)計(jì)水源熱泵系統(tǒng)參數(shù)之前，必須對(duì)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容［5］:

(1)地下水200 m范圍以淺的含水層結(jié)構(gòu)，其中包括各含水層厚度、巖性、滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、釋水系數(shù)、給水度等，在有顯著越流發(fā)生的情況下需要相鄰弱透水層的越流系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)值;

(2)地下水徑流、補(bǔ)給與排泄條件及富水性;

(3)地下水水溫;

(4)地下水水質(zhì)。

水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素。

水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關(guān)鍵因素，一項(xiàng)工程所需水量多少由該工程負(fù)荷與機(jī)組性能確定，所選擇的地下水量應(yīng)滿足負(fù)荷要求。如果其他各種條件均具備，但水量略有不足，其缺口可采取一定輔助彌補(bǔ)措施解決。如水量缺口較大，不能滿足負(fù)荷要求，就應(yīng)考慮其他方案。就某項(xiàng)具體工程而言，應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，判斷是否具備可利用的充足水源。由于不同工程的場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件千差萬別，可利用的水源和水量各不相同，應(yīng)因地制宜地論證方案的可行性并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

但就地下水源熱泵機(jī)組來說，正常工作的冷(熱)源溫度范圍為［3］:10℃ ～25℃。若低于 10℃，冬季供暖時(shí)，為滿足建筑物供熱負(fù)荷，熱泵機(jī)組將需要從更多的地下水熱源中吸取熱量，這將意味著增加抽灌水量，加大熱泵工作強(qiáng)度等等，這都將導(dǎo)致投資成本增加，電能消耗過多，熱泵壽命減少。反之，若高于25℃，夏季空調(diào)時(shí)吸取屋內(nèi)的熱量全部轉(zhuǎn)化到地下水源中，水溫升高將不利于熱泵散熱;過高的溫度還會(huì)破壞地下水水化學(xué)平衡，從而導(dǎo)致地下水污染。

水質(zhì)的好壞影響著幾乎所有的熱泵系統(tǒng)的組成部分以及他們之間的相互關(guān)系。如含沙量過高，則容易對(duì)機(jī)組和管閥造成磨損，堵塞含水層，使回灌困難，造成資源浪費(fèi);當(dāng)pH值小于7，地下水呈酸性，這就意味著水中H+含量較高，在沒有空氣進(jìn)入的循環(huán)水中，會(huì)引起腐蝕鐵的陰極反應(yīng)，反之pH值＞8時(shí)，這種反應(yīng)的速度將明顯降低;當(dāng)pH值＜5時(shí)，會(huì)使高強(qiáng)度低合金鋼中的硫加速裂化，并使其他合金元素與鐵發(fā)生耦合，低的pH值還會(huì)使不銹鋼失去純性，腐蝕水泥;氫氧化物(游離 CO2、HCO3+、CO32+)會(huì)降低水的pH值，從而加劇水的腐蝕性;氯離子在很大程度上促進(jìn)了碳的腐蝕，對(duì)高強(qiáng)度低合金鋼、不銹鋼等金屬具有不同程度的腐蝕性。水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求見表1。

供水的穩(wěn)定與否將意味著水源熱泵能否持續(xù)正常的發(fā)揮作用，是熱泵充分發(fā)揮功效的基礎(chǔ)，否則一切無從談起。

表1 地下水源熱泵對(duì)水質(zhì)要求

3 張掖城區(qū)及周邊地區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地下水含水層類型

張掖地區(qū)區(qū)域上屬河西走廊拗陷的張掖盆地，地下水含水層類型均屬第四系松散巖類孔隙水［4］。以梁家墩—東家當(dāng)鋪—城區(qū)的靖安公路為界，含水層巖性在水平方向的變化為:西部為較單一的大厚度砂粒卵石層，地下水主要以潛水為主;東部含水介質(zhì)則為粘性土與砂礫卵石層的交互層，地下水主要以上部潛水下部承壓水為主。

3.2 地下水補(bǔ)給、徑流和排泄

該區(qū)在區(qū)域上主要受南部祁連山區(qū)降水及融雪補(bǔ)給河流出山口后，在洪積扇頂部第四系強(qiáng)導(dǎo)水帶大量“線狀”入滲到張掖盆地地下水，其次為降雨、側(cè)向流入補(bǔ)給等。在地形和補(bǔ)給源控制下，盆地地下水尋兩個(gè)方向向平原區(qū)徑流，一是沿黑河偏西方向的徑流，二由民樂山口方向向平原區(qū)的徑流。這使地處平原區(qū)的張掖城區(qū)及其周邊地帶形成一個(gè)由南、西、東向北方向的徑流場。主要排泄方式為泉水溢出、蒸發(fā)、側(cè)向流出、人工開采。

區(qū)內(nèi)含水層大致以黑河烏江大橋—城區(qū)—上秦鎮(zhèn)為界，北東為泉水溢出帶，地下水埋深一般小于3 m，局部地帶埋深小于1 m，而成為泉水溢出帶;向南東地下水埋深逐漸增大至10～30 m以下。

3.3 含水層的富水性和導(dǎo)水性

該區(qū)富水性呈規(guī)律性變化，由南西到北東含水層富水性由強(qiáng)到弱，城區(qū)以南、以西單井涌水量(降深5 m，下同)大于10 000 m3·d－1;城區(qū)北東方向，單井涌水量逐漸遞減，至山丹河兩側(cè)單井涌水量小于600 m3·d－1。該區(qū)的導(dǎo)水性也從城區(qū)西南方向到北東方向逐漸減弱，城區(qū)以南導(dǎo)水系數(shù)大于5 000 m3·d－1，向北東逐漸遞減為 5 000 ～3 000 m3·d－1、3 000 ～1 000 m3·d－1。

3.4 地下水化學(xué)性質(zhì)

受張掖盆地地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及區(qū)域水文地球化學(xué)特征的影響和制約，張掖地區(qū)地下水地球化學(xué)特征存在明顯的分帶規(guī)律:烏江—張掖城區(qū)—上秦以南，地下水化學(xué)類型為HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+;礦化度一般小于0.5 g/L;北部張掖火車站—市福利院—三閘—?jiǎng)⒓覙驈V大地帶，地下水化學(xué)類型為HCO3+—Mg2+—Ca2+，局部地段為HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+類型，礦化度一般為 0.3 ～ 0.5 g/L，山丹河及其北東地帶地下水化學(xué)類型為SO2－—4，礦化度一般大于 0.5 g/L。

3.5 地下水水溫

根據(jù)以往鉆孔實(shí)測資料，該區(qū)50 m以下地下水水溫基本恒定，約11.5℃ ～13℃，基本不受大氣溫度的影響，符合水源熱泵系統(tǒng)溫度要求。

4 水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

根據(jù)以上對(duì)張掖市區(qū)及周邊與地源熱泵相關(guān)水文地質(zhì)條件的分析，用層次分析法(AHP)并結(jié)合MapGis等軟件對(duì)各要素指標(biāo)層進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)賦值，最終耦合并修正各要素指標(biāo)層，為評(píng)價(jià)該地區(qū)水源熱泵水文地質(zhì)條件適宜性進(jìn)行劃分并成圖。

4.1 評(píng)價(jià)要素及其權(quán)重值的確定

該區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，地下水是主要的水資源，合理的保護(hù)和利用地下水資源是當(dāng)?shù)厮Y源管理的主要任務(wù)。而水源熱泵系統(tǒng)主要存在回灌難的問題，含水層的地下水位埋深及單位涌水量是影響回灌的最直接的兩個(gè)因素，水位埋深越小回灌難度越大，單位涌水量越大越容易回灌。地下水礦化度過高，容易引起回灌井井壁因沉積多種水垢使回灌難度加大。鑒于該區(qū)水溫基本恒定，對(duì)水源熱泵影響較小，取較小的權(quán)重指標(biāo)值。

4.1.1 建立系統(tǒng)遞接層次結(jié)構(gòu)

選取影響地源熱泵系統(tǒng)工效的四個(gè)重要因素:單位涌水量、水溫、水質(zhì)及水位埋深作為評(píng)價(jià)因子，其中水質(zhì)主要以礦化度為指標(biāo)。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 各階層權(quán)重計(jì)算

基于對(duì)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件及已有地下水源熱泵工程的調(diào)研結(jié)果，采用三標(biāo)度法(即1，2，3)表示出因子間的重要性，從而組成因子間的比較矩陣，并采用極差法構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗(yàn)合格，計(jì)算出各階層權(quán)重。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果及實(shí)際工程效果評(píng)判，各因子權(quán)重指標(biāo)值如表2。

表2 各要素權(quán)重指標(biāo)值

4.2 綜合要素指標(biāo)值確定

在對(duì)水文地質(zhì)要素綜合分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式

確定綜合要素指標(biāo)值，

式中:R為綜合要素指標(biāo)值;ai為評(píng)價(jià)因子的權(quán)值;Xi為評(píng)價(jià)因子參數(shù)，等于S(di/dmax);n為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

di取值原則:評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)介于1～10之間，分?jǐn)?shù)越高，表明選定因子的該分區(qū)內(nèi)越有利于建造地下水地源熱泵系統(tǒng);分?jǐn)?shù)越低，則表明選定因子的該分區(qū)內(nèi)越不利于建造地源熱泵系統(tǒng)(見表3—表6)。

表3

表4

表5

4.3 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)方法確定后，根據(jù)各指標(biāo)值并考慮現(xiàn)有條件下該地區(qū)已有地下水水源熱泵的運(yùn)行情況，對(duì)各區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并加以耦合，確定綜合指標(biāo)值與適宜性的關(guān)系(表7)，并進(jìn)行適宜性分區(qū)(如圖4示):研究區(qū)以烏江—地區(qū)福利院—二十里鋪一線為界，其東北部因地下水埋深淺，回灌難度大，不適宜地下水源熱泵的開發(fā)利用，而其西南部地下水埋深較深，回灌難度小，且富水性好，水質(zhì)也較好，適宜水源熱泵的開發(fā)利用。

5 結(jié)語

近年來，張掖地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)工程的應(yīng)用發(fā)展迅速，不少應(yīng)用工程不事先進(jìn)行工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)和水資源論證，盲目使用水源熱泵系統(tǒng)而出現(xiàn)了回灌難、功效低等問題，從而造成了地下水資源的浪費(fèi)。本文針對(duì)以上問題，對(duì)該地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵的適宜性進(jìn)行分區(qū)，希望給相關(guān)部門制定水源熱泵區(qū)域規(guī)劃提供參考依據(jù)。需要指出的是，影響水源熱泵功效的因素本文講到的水文地質(zhì)條件外，井的布置、成井結(jié)構(gòu)、回灌方式、熱泵系統(tǒng)的安裝等等均對(duì)水源熱泵的運(yùn)行效果產(chǎn)生很大的影響，在考慮使用熱泵系統(tǒng)的同時(shí)，要對(duì)這些因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖2 張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵的適宜性分區(qū)圖

表7 水文地質(zhì)條件對(duì)水源熱泵適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

［1］建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司.2007全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施節(jié)能篇——暖通空調(diào)·動(dòng)力［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007.

［2］淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范(DZ/T 0225－2009)［S］.中華人民共和國國土資源部.2009－07－29發(fā)布.

［3］建設(shè)部、質(zhì)檢局.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB－50366－2005)［S］.北京.中國建筑工業(yè)出版社.

［4］魏余廣等.張掖市區(qū)地下水資源及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.甘肅省地礦局第二水文地質(zhì)工程隊(duì).1993.

［5］王貴玲、劉云等.地下水源 熱泵應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)體系研究［J］.研究討論.2011，6(3).

［6］韓春陽、潘俊等.沈陽城區(qū)水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)［J］.地下水.2011，3期33卷.

［5］王亞斌.天津市水源熱泵系統(tǒng)水文地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)方法研究［A］.地溫資源與地源熱泵技術(shù)論文集(第一集)［C］.北京:2007，72 －79.

［6］曹琦.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水文地質(zhì)條件構(gòu)造之間的關(guān)系［A］.地溫資源與地源熱泵技術(shù)論文集(第一集)［C］.北京:2007，46 －53.

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1004－1184(2013)06－0069－03

2013－07－22

魏莉莉(1985－)，女，甘肅皋蘭人，在讀碩士研究生，研究方向:地下水科學(xué)與工程。