地下水式地源熱泵前景展望

沈劍杰

【摘 要】地源熱泵具有清潔性、經(jīng)濟(jì)性、無(wú)限性等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。地下水地源熱泵利用地下水作為熱源，熱源效率高，占地面積小，具有良好的適用性。地下水地源熱泵采用被視為臨時(shí)性措施的減壓井和回灌井作為熱源井，能夠有效降低成本，符合節(jié)能減排的要求。

【Abstract】 The ground source heat pump has the advantages of cleanliness， economy， and infinity， and has broad development prospects. The ground water-source heat pump uses groundwater as a heat source， which has high efficiency， small area， and good applicability. The ground water-source heat pump uses relief wells and recharge wells， which are regarded as temporary measures， as heat source wells， which can effectively reduce costs and meet the requirements of energy-saving and emission reduction.

【關(guān)鍵詞】地源熱泵;深基坑;降水井

【Keywords】ground source heat pump; deep foundation pit; dewatering well

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU833? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）07-0151-02

1 背景介紹

地源熱泵是一種利用地下溫度相對(duì)穩(wěn)定的土壤、巖石或水等作為恒溫?zé)嵩?，通過(guò)冷熱交換裝置達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)目的的設(shè)備系統(tǒng)。自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，以其清潔性、經(jīng)濟(jì)性、無(wú)限性等優(yōu)點(diǎn)，在第一次能源危機(jī)后被北歐、英美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用，而我國(guó)雖然起步較晚，但發(fā)展前景廣闊[1-2]。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，其中要求到2020年，城鎮(zhèn)新建建筑能效水平比2015年提升20%，城鎮(zhèn)新建建筑中綠色建筑面積比重超過(guò)50%，城鎮(zhèn)可再生能源替代民用建筑常規(guī)能源消耗比重超過(guò)6%。

國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局和國(guó)土資源部共同印發(fā)了《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃要求在“十三五”時(shí)期，我國(guó)將新增地?zé)崮芄┡?制冷面積11億m2（其中新增淺層地?zé)崮芄┡?制冷面積7億m2，新增水熱型地?zé)峁┡娣e4億m2）;新增地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量500兆W;到2020年，地?zé)峁┡?制冷面積累計(jì)達(dá)到16億m2，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量約530兆W。

2 地下水地源熱泵的研究情況

地源熱泵系統(tǒng)主要包括地表水源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管熱泵系統(tǒng)。

地下水地源熱泵在技術(shù)上相對(duì)成熟，效率較高。通過(guò)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，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。但由于成井等前期投入費(fèi)用較高，限制了其廣泛推廣和使用[3-4]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)地源熱泵進(jìn)行了很多研究，多集中于耦合換熱模擬、換熱設(shè)備及回填材料、多熱源復(fù)合式系統(tǒng)、系統(tǒng)優(yōu)化匹配等研究[5-6]。同時(shí)，還有對(duì)新型工質(zhì)、系統(tǒng)環(huán)境影響、系統(tǒng)效益評(píng)價(jià)方法、設(shè)計(jì)方法等方面的研究。針對(duì)地下水源熱泵，對(duì)抽灌井熱貫通、回灌井堵塞、含水層狀態(tài)、回灌水水質(zhì)等問(wèn)題的研究是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，但目前多為暖通工程領(lǐng)域的人員對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，水文工程領(lǐng)域參與研究的人員較少。

駱祖江等對(duì)丹陽(yáng)市濱江新城地下水地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化布井的數(shù)值進(jìn)行模擬分析后，認(rèn)為基于地下水滲流與熱量運(yùn)移原理建立的地下水非穩(wěn)定滲流和熱量運(yùn)移模型，可以較準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)地下水地源熱泵三維耦合數(shù)值模型系統(tǒng)，分析在不同工況運(yùn)移過(guò)程中的熱平衡發(fā)展趨勢(shì)[7]。

福州某客運(yùn)站采用地下水地源熱泵系統(tǒng)，該項(xiàng)目節(jié)能、環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益顯著。上海某農(nóng)業(yè)示范項(xiàng)目的實(shí)踐結(jié)果表明，在地下水的采灌量保持基本平衡的情況下，地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)地面沉降等地質(zhì)環(huán)境影響較小。

3 深基坑井作為熱源井的可行性分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，城市空間不斷向高處、往深層拓展，高層建筑和深層地下空間日益增加，深基坑工程也隨之大量增多。深基坑工程在開(kāi)挖的過(guò)程中，可能會(huì)引發(fā)地下水危害，如基坑突涌、滲流破壞或滲流固結(jié)不均勻沉降等。為防止地下水帶來(lái)的危害，需要對(duì)基坑進(jìn)行降水，減壓井進(jìn)入承壓含水層，而承壓含水層往往是地源熱泵熱源層。

深基坑往往位于城市的中心繁華地段，周邊建筑物較多，環(huán)境保護(hù)要求高，而基坑降水施工極易引起周邊地層的沉降及建筑物的變形，影響基坑的安全建設(shè)。因此，需要在被保護(hù)建筑附近區(qū)域設(shè)置回灌井，通過(guò)回灌的方法減少地層變形。

目前，減壓井和回灌井被視為臨時(shí)措施，在基坑工程完工后便進(jìn)行封井，并未得到有效利用，造成極大的浪費(fèi)。而在地下水地源熱泵的投資中，有30%以上的投入為熱源井成井的費(fèi)用。熱源井的成井費(fèi)用高造成地下水地源熱泵成本居高不下，影響地下水地源熱泵的推廣使用。因此，如能有效地將深基坑降水井及回灌井這種臨時(shí)性措施長(zhǎng)久利用，不僅可以免去封井環(huán)節(jié)，有效降低工程造價(jià)，而且符合綠色環(huán)保、節(jié)能減排的要求。

對(duì)于地下水式地源熱泵，高鐵錳水有可能堵塞回灌井，影響換熱效率。地下水式地源熱泵機(jī)組通過(guò)機(jī)組內(nèi)閉式循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)換熱器與由水泵抽取的深層地下水進(jìn)行冷熱交換，地下水排回或通過(guò)加壓式泵注入地下水層中。所以，對(duì)抽水回灌工況條件下的除鐵錳進(jìn)行研究，對(duì)于地源熱泵的穩(wěn)定運(yùn)行有很大意義。目前，我國(guó)很多地方的地下水鐵錳含量超標(biāo)現(xiàn)象都很?chē)?yán)重，而且常常是大面積、區(qū)域性的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約20%的地下水資源屬于含高濃度鐵、錳的地下水，如蘇錫常地區(qū)、福建地區(qū)地下水鐵錳含量均較高，甚至超標(biāo)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。隨著社會(huì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，環(huán)境效益越來(lái)越受到重視，在地源熱泵使用過(guò)程中對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理，提高回灌水質(zhì)，不僅有利于地源熱泵長(zhǎng)期有效地使用，同時(shí)也有助于改善地下水環(huán)境，保證經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益共同提升。

利用地源熱泵技術(shù)，在地下水回灌過(guò)程中的回路并不能做到嚴(yán)格的密封，也就造成了地下水不可避免地與外界空氣接觸，使得地下水氧化。此外，國(guó)內(nèi)的地下水回路材料基本上未做相關(guān)的防腐措施，故會(huì)造成地下水水質(zhì)發(fā)生變化。另外，地下水經(jīng)過(guò)回灌的管路時(shí)，一些理化性質(zhì)的改變能否引起熱力學(xué)平衡的改變都不可預(yù)測(cè)。因此，熱源井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、水質(zhì)的處理、抽水—回灌運(yùn)行是以后研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵作為清潔能源，在環(huán)保綠色節(jié)能理念被日益重視的今天得到了廣泛的應(yīng)用，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。地下水地源熱泵的技術(shù)相對(duì)成熟，但成本較高，而采用被視為臨時(shí)措施的減壓井和回灌井作為熱源井能夠有效降低成本，符合節(jié)能減排的要求。

利用深基坑降水井及回灌井作為地源熱泵熱源井，既改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還符合習(xí)近平總書(shū)記提出的“五位一體”的總體布局要求，符合黨中央對(duì)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略部署。

目前，利用減壓井和回灌井作為熱源井尚需解決熱源井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、水質(zhì)的處理、抽水—回灌運(yùn)行等相關(guān)問(wèn)題，這些問(wèn)題解決后不僅有利于地源熱泵長(zhǎng)期有效地使用，同時(shí)也有助于改善地下水環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

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