上海地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)適用性研究

黃 堅(jiān)

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

上海地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)適用性研究

黃 堅(jiān)

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

淺層地?zé)崮茏鳛樵诋?dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的特殊礦產(chǎn)資源，得到了較好的推廣和應(yīng)用，特別是地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展較快。而對(duì)于應(yīng)用效率更高，占用地下空間較少，以溫度較為穩(wěn)定的地下水為媒介，通過熱泵技術(shù)進(jìn)行熱交換的地下水源熱泵系統(tǒng)研究較少。本文旨在綜合分析與評(píng)價(jià)資源條件，通過應(yīng)用案例重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可能造成地質(zhì)環(huán)境變化的影響因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究，分析地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的適用性，為上海地下水源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供決策依據(jù)。

淺層地?zé)崮?；地下水源熱泵系統(tǒng)；資源條件；地質(zhì)環(huán)境影響；適用性分析

隨著全球性能源供應(yīng)緊張和礦物資源利用引發(fā)的環(huán)境污染問題與矛盾日益加劇，在一定程度上制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。淺層地?zé)崮苤饕峭ㄟ^地源熱泵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供暖和制冷，可替代或減少建筑物對(duì)常規(guī)能源的使用量，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、建設(shè)生態(tài)宜居城市發(fā)揮積極作用。地源熱泵系統(tǒng)分類主要有地表水源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管熱泵系統(tǒng)[1]。近年來(lái)，上海市對(duì)地埋管地源熱泵應(yīng)用和研究較多[2～4]，但對(duì)于應(yīng)用效能更高的地下水地源熱泵系統(tǒng)目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。本文擬通過相關(guān)研究，綜合分析地下水源熱泵系統(tǒng)在上海的適用性，為其推廣應(yīng)用提供決策依據(jù)。

1 地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

地源熱泵技術(shù)起源于歐洲，后來(lái)在瑞典、法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家廣泛利用，目前熱泵理論與技術(shù)均已非常成熟。自1948年第一臺(tái)地下水源熱泵系統(tǒng)在俄勒岡州運(yùn)行，掀起了上世紀(jì)歐洲和美國(guó)的地源熱泵研究高潮，美國(guó)地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用一直呈上升趨勢(shì)。1950年，美國(guó)擁有近320臺(tái)的地下水源熱泵系統(tǒng)，90年代以后，熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用年增長(zhǎng)率約為12%，1997年已近萬(wàn)臺(tái)。至2004年底，美國(guó)大約有50萬(wàn)套地源熱泵在運(yùn)行，每年大約有5萬(wàn)套在安裝。根據(jù)對(duì)美國(guó)能源信息署（U.S.EIA）2012年1月公開發(fā)布的2000～2009年的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地下水源熱泵的應(yīng)用比例較高，約占70%左右。據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，美國(guó)地源熱泵的銷量將在未來(lái)幾年里呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，年銷量將從2011年的15萬(wàn)臺(tái)套，增長(zhǎng)到2017年的32.6萬(wàn)臺(tái)套。

與美國(guó)不同，歐洲的熱泵系統(tǒng)一般僅用來(lái)供熱或提供生活熱水。在歐洲的中部和北部，由于氣候寒冷，主要通過水源熱泵系統(tǒng)，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年統(tǒng)計(jì)，家用供熱裝置中水源熱泵所占比例，瑞士為96%、奧地利為38%、丹麥為27%，到2000年，歐洲用于供熱、熱水供應(yīng)的熱泵總數(shù)為46.7萬(wàn)臺(tái)，其中水源熱泵約5.5萬(wàn)臺(tái)[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)淺層地?zé)崮芗夹g(shù)研究可以追朔到上世紀(jì)60年代，上海等地開展了地下水儲(chǔ)能技術(shù)研究。1997年開始學(xué)習(xí)和引進(jìn)歐洲產(chǎn)品后，熱泵技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的空調(diào)工程領(lǐng)域，出現(xiàn)了較大規(guī)模的地下水源熱泵采暖工程項(xiàng)目，成為華北和中原地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的一大熱點(diǎn)。到1999年底，全國(guó)大約有100套地下水源熱泵供熱、制冷系統(tǒng)。近年來(lái)，地下水源熱泵技術(shù)發(fā)展較快，以北京為例，地源熱泵應(yīng)用在北京的辦公樓、住宅、學(xué)校、商場(chǎng)、賓館、醫(yī)院等，應(yīng)用面積達(dá)100余萬(wàn)平方米[6]。上海市以利用地下水為棉紡廠生產(chǎn)車間供暖和降溫，開啟了淺層地?zé)崮苤苯討?yīng)用的先例。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，目前上海淺層地?zé)崮軕?yīng)用類型主要為地埋管熱泵系統(tǒng)，占到總建筑應(yīng)用項(xiàng)目的98%，地下水源熱泵系統(tǒng)僅占1%左右，建筑應(yīng)用面積約為10萬(wàn)平方米。

2 地下水源熱泵系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 工作原理

地下水源熱泵系統(tǒng)是一種新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)，是以溫度較為穩(wěn)定的地下水為媒介，利用熱泵技術(shù)，通過采灌井的水路循環(huán)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)為建筑物供熱或制冷的目的。根據(jù)地下水的采灌井布設(shè)特征，地下水源熱泵系統(tǒng)分為異井采灌系統(tǒng)和同井采灌系統(tǒng)，主要工作原理如圖1。

圖1 地下水源熱泵系統(tǒng)工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of ground water source heat pump system

2.2 應(yīng)用特點(diǎn)

地下水地源熱泵在技術(shù)上是相對(duì)成熟的，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn)：

（1）地下水源熱泵系統(tǒng)適用于地下水資源豐富的地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱和制冷，并可提供生活熱水。

（2）地下水熱泵系統(tǒng)的效率較高，通過少量的電量就可獲得較多的熱量或冷量，通常COP值可達(dá)4.0以上。

（3）具有良好的經(jīng)濟(jì)性和適用性，少量的采、灌井就可滿足建筑物的制冷或供熱需要，占地面積少小對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的地下空間規(guī)劃和使用影響較小。

（4）應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)須符合當(dāng)?shù)氐叵滤Y源管理部門的管理規(guī)定。

2.3 存在問題

（1）可能導(dǎo)致地下水資源受到影響。一是地下水源熱泵系統(tǒng)需要抽取一定量的地下水，進(jìn)行換熱后再進(jìn)行回灌，常常由于回灌量的不足，導(dǎo)致地下水位的下降，耗費(fèi)寶貴的地下水資源；二是施工時(shí)回填料、井管材的腐蝕、洗井材料等均可能引起地下水污染；三是地下水、土中對(duì)溫度比較敏感的微生物等可能會(huì)受到一定的影響，地下水水質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化。

（2）可能引發(fā)地面沉降地質(zhì)環(huán)境問題。地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行可能導(dǎo)致不均勻地面沉降。熱泵系統(tǒng)取水的目標(biāo)含水層一般為較為松散的砂土層或砂土層中夾有一定厚度的粘土層，土層的壓縮性較大，地下水位下降后產(chǎn)生土層的壓縮變形，可能引發(fā)地面沉降。

（3）可能引發(fā)地下溫度場(chǎng)的變化。在建筑物的冬季和夏季冷熱負(fù)荷不均衡的條件下，大規(guī)模、集中的地下水源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，可能產(chǎn)生區(qū)域性的地下熱（或冷量）的堆積，改變?cè)瓬囟葓?chǎng)的狀況，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的效率衰減，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[7]。

3 應(yīng)用條件分析

3.1 資源條件

上海地區(qū)屬長(zhǎng)江水系，江、海、湖、河相間，水網(wǎng)交織，150m以淺深度范圍內(nèi)主要為第四紀(jì)松散沉積物，分布有潛水含水層、微承壓含水層（局部）、第一、第二、第三承壓含水層等多個(gè)含水層，地下水資源較為豐富。根據(jù)調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，作為可選擇作為地下水源熱泵系統(tǒng)的目標(biāo)含水層的第二、第三承壓含水層，其主要水文地質(zhì)參數(shù)和指標(biāo)如下：

（1）含水層厚度較大。第二承壓含水層頂板埋深一般為60～70m，溝通區(qū)厚度一般為50～70m，第三承壓含水層頂板埋深一般為100～120m，溝通區(qū)厚度一般大于50m；

（2）含水層的富水性較好。第二、三層承壓含水層單井涌水量一般為1000～3000m3/d，局部可達(dá)5000m3/d以上；

（3）滲透系數(shù)為一般為20～40m/d。第二承壓含水層除部分地區(qū)外，滲透系數(shù)一般為30～40m/d，最大達(dá)60m/d以上。第三承壓含水層的滲透系數(shù)總體比第二承壓含水層的小，一般為20～30m/d，部分地區(qū)為30～50m/d；

（4）導(dǎo)水系數(shù)一般為500～1500m2/d。第二承壓含水層山南部以粉細(xì)砂為主的地區(qū)，導(dǎo)水系數(shù)一般為500～1000m2/ d，北部、西部以中粗砂為主的地區(qū)，導(dǎo)水系數(shù)一般為1000～1500m2/d，局部地區(qū)大于2000m2/d。第三承壓含水層大部分地區(qū)導(dǎo)水系數(shù)一般為500～1000m2/d；

（5）水溫適宜。第二承壓含水層水溫一般在18.5～19.5.0℃之間，第三承壓含水層水溫在19.5～21.5℃之間；

（6）大部分地區(qū)礦化度大于1.0g/l。第二承壓含水層大多為礦化度大于1.0g/l的微咸水—咸水，部分地區(qū)分布有礦化度小于1.0g/l的淡水。第三承壓含水層的礦化度大都為1.0～10.0g/l的微咸水—半咸水，局部地區(qū)分布有礦化度大于10.0g/l的咸水和礦化度小于1.0g/l的淡水。

（7）通過多年來(lái)地下水管控措施的實(shí)施，地面沉降防治成效顯著。據(jù)相關(guān)單位的研究數(shù)據(jù)表明，2016年上海地區(qū)第二、第三承壓含水層地下水位分別抬升了0.01～0.86m、0.03～1.38m。

3.2 適宜性分區(qū)

根據(jù)第二、第三承壓含水層的含水層厚度、含水層巖性、含水層富水性、導(dǎo)水系數(shù)、地下水水質(zhì)、地下水水位等評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法，劃分為不適宜區(qū)、較適宜區(qū)和適宜區(qū)。并在此基礎(chǔ)上結(jié)合地面沉降防治規(guī)劃和管控要求，采用單因素判別法對(duì)第二、第三承壓含水層地下水源換熱系統(tǒng)適宜性進(jìn)行綜合分區(qū)，劃分為潛在適宜區(qū)、潛在較適宜區(qū)和不適宜區(qū)三個(gè)級(jí)別，如圖2、圖3。

圖2 第二承壓含水層地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)Fig.2 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in second confned aquifer

圖3 第三承壓含水層地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)Fig.3 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in third confned aquifer

3.3 資源評(píng)價(jià)

綜合地層特點(diǎn)、施工適宜程度、建筑物負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)合理性，上海地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)的目標(biāo)含水層一般選擇第二或第三承壓含水層。根據(jù)上海市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)成果，在不考慮土地利用系數(shù)的情況下，全區(qū)第二、三承壓含水層可供應(yīng)用建筑面積和資源潛力評(píng)價(jià)結(jié)果如表1。

表1 第二、第三承壓含水層可供建筑面積及資源潛力Table1 Available area for construction and resource potential of second and third confned aquifers

3.4 應(yīng)用案例

上海市由于地下水開采受到嚴(yán)格控制，地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用未得到推廣，目前仍處于應(yīng)用研究階段。本文通過對(duì)某已建地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分析系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度。

項(xiàng)目情況：某農(nóng)業(yè)示范項(xiàng)目，采用地下水換熱方式淺層地?zé)崮苡糜跍厥业墓┡凸├洌瑴厥颐娣e約21000m2，采用全封閉地下水抽回灌系統(tǒng)，系統(tǒng)目的含水層為第二承壓含水層，共布置4口采、灌井，2抽2灌，井深104.5m。2016年系統(tǒng)運(yùn)行情況：上半年為供暖工況，四月中旬進(jìn)入間歇期，六月下旬轉(zhuǎn)為供冷工況，九月上旬進(jìn)入間歇期，十一月下旬開啟供暖。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括水溫監(jiān)測(cè)、分層沉降、地表沉降、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)。

水溫動(dòng)態(tài)情況：根據(jù)2016年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，年初開始階段為供暖工況，取水井對(duì)地下水溫的擾動(dòng)很小，回灌井周邊水溫持續(xù)下降，最大降幅約為4℃；六月下旬轉(zhuǎn)為供冷工況，由于冷水井內(nèi)水溫遠(yuǎn)低于熱水井，熱泵利用后，回灌水水溫仍低于對(duì)該區(qū)域水溫，由于供冷需求較小，區(qū)域水溫很快恢復(fù)至19℃左右。

水質(zhì)變化情況：2016年度數(shù)據(jù)顯示，本年度該場(chǎng)地的水質(zhì)略有變化。水質(zhì)監(jiān)測(cè)井中陰離子SO和NO略有增加。

水位動(dòng)態(tài)情況：地下水水位有一定的變化，水位最大變化幅度約為2.5m。

地表沉降情況：根據(jù)對(duì)23個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)三年來(lái)累計(jì)變化范圍為1.16～-4.83mm，沉降量較小，2014～2016年間累計(jì)沉降量如圖4。

圖4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014～2016年度累計(jì)沉降量Fig.4 Cumulative settlement of surface monitoring point from 2014 to 2016

分層沉降情況：通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，含水層、隔水層的土層發(fā)生了一定的變形，含水層地層壓縮了1.04mm，下伏隔水層回彈了1.36mm，上覆土層壓縮了0.47mm。在系統(tǒng)運(yùn)行期間內(nèi)，由于采灌相結(jié)合，上覆土層和下覆土層的整體變形量較小，土層2014～2016年累計(jì)變形量如圖5。

圖5 土層2014～2016年累計(jì)變形量Fig.5 Cumulative deformation of soil layer from 2014 to 2016

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文通過對(duì)上海地區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)成果以及應(yīng)用項(xiàng)目多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合地下水及地面沉降管控要求，得出如下的結(jié)論：

（1）上海地區(qū)擁有豐富和穩(wěn)定的地下水資源，調(diào)查數(shù)據(jù)表明，本市大部分地區(qū)的第二、第三承壓含水層的主要水文地質(zhì)參數(shù)能滿足地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的資源條件。

（2）在地下水的采灌量保持基本平衡情況下，地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地面沉降等地質(zhì)環(huán)境影響較小。應(yīng)用項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中水質(zhì)、水位、水溫會(huì)發(fā)生一定變化，但年度總體變化不大；分層沉降上覆土層、含水層和隔水層沉降量較小，三年累計(jì)沉降量平均小于2mm。

（3）國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐表明，科學(xué)合理的地下水資源管理方式既不是完全管制也不是完全放開，應(yīng)是管控相結(jié)合，在采灌之間取得平衡。上海地區(qū)多年來(lái)開展的地面沉降防治工作取得了一定的成效，各承壓含水層地下水位逐年回升。

4.2 建議

通過綜合研究和分析，對(duì)上海地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用提出如下建議：

（1）在滿足地下水保護(hù)和地面沉降管控要求的前提下，建議本市地下水源熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上可在適宜的地區(qū)開展適當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用與示范。

（2）地下水源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目在實(shí)施前應(yīng)提交水資源論證報(bào)告，提出地下水的水量、水質(zhì)保護(hù)措施，應(yīng)布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施，對(duì)回灌率、水位、水溫和水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水資源論證報(bào)告應(yīng)得到水務(wù)管理部門批準(zhǔn)后才能實(shí)施，項(xiàng)目建成運(yùn)行一定時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。

（3）應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)施過程中的監(jiān)管，落實(shí)各項(xiàng)保護(hù)措施，系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查，采灌井的布設(shè)要科學(xué)合理，在確保能夠充分回灌的同時(shí)，要防止采井區(qū)發(fā)生不均勻地面沉降。

（4）在條件成熟時(shí)，建議出臺(tái)地下水源熱泵應(yīng)用相關(guān)管理制度，科學(xué)規(guī)劃，明確管理職責(zé)，規(guī)范上海地區(qū)地下水源熱泵的應(yīng)用行為，充分發(fā)揮地下水源熱泵系統(tǒng)顯著的節(jié)能環(huán)保特性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)。

（5）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下水源熱泵的應(yīng)用在一定程度和時(shí)間范圍內(nèi)地下水的水質(zhì)和地溫略有變化，建議相關(guān)單位加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)和研究工作，確保地下水資源的安全和可持續(xù)利用。

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Research on applicability of groundwater source heat pump system in Shanghai

HUANG Jian
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

Shallow geothermal energy has been greatly developed and publicized as an affordable mineral resource that is worthy to research under today’s economic environment and technological conditions.The application of ground source heat pump system using buried pipelines is advancing especially rapidly.However, the underground water-source based heat pump system has attracted much less research and attention.This system employs underground water, which has a relatively stable temperature, and heat pump technology to accomplish ground heat exchange; it not only is more effcient but also requires less space.This paper tries to achieve a comprehensive analysis and an evaluation of resource condition of the underground water-source based heat pump system.The potential factors caused by such system that may create geological impact on the environment are carefully monitored and studied.The goal of the paper is to analyze the applicability of this system in order to provide advice for the urban plan to further develop the underground water-source based heat pump system.

shallow geothermal energy; groundwater source heat pump system; resource conditions; geological environment impact; applicability analysis

P314

A

2095-1329(2017)03-0053-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.012

2017-07-11

修回日期: 2017-08-18

黃堅(jiān)(1969-),女,碩士,高級(jí)工程師,主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)及淺層地?zé)崮軕?yīng)用技術(shù)研究.

電子郵箱: huang_jane@sina.com

聯(lián)系電話: 021-56956111

上海市科委科研項(xiàng)目“淺層地?zé)崮芸沙掷m(xù)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(13dz1203100)