地下水源熱泵系統(tǒng)的設計條件及工程應用中存在的問題

韓康，謝武剛

（1中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2中聯(lián)西北工程設計研究院，陜西西安 710082）

0 引言

如今，環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)成了制約經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一，地下水作為一種可循環(huán)利用的淺層地熱資源，對其的綜合開發(fā)利用從未停止。而地下水源熱泵正是一種利用淺層地下水的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，目前在我國已經(jīng)有了一定的發(fā)展規(guī)模。但由于前期的研究不成熟和設計不合理，在長期運行中暴露了出一些問題，例如：對地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響、回灌不合格、系統(tǒng)失效等。因此，本文將針對地下水源熱泵的設計條件和應用現(xiàn)狀進行初步分析，并提出相應的解決方案。

1 地下水源熱泵的設計條件

1.1 水文地質(zhì)條件

首先，含水層應具有較大的滲透系數(shù)，以淺層地下水（埋深100m左右）為主，含水層顆粒較粗（細砂、中砂、粗砂、卵礫石），富水性強或較強，其單位涌水量應大于1500m3/d，滲透系數(shù)大或較大（地下水流強滲透區(qū)的范圍在400～500m/d），水質(zhì)較好[1]，水源的含沙量應小于1/200000，濁度應小于20mg/L；其次，水源井的取水地段應具有較好的補水條件，取水地段應靠近地下水排水區(qū)和補給水源等能夠容易獲得各種補給量的地段，理想的供水源地是靠近有水河流的兩側(cè)；再者，使用地下水源熱泵系統(tǒng)還需考慮地質(zhì)災害對系統(tǒng)的影響，當含水層的頂部或底部存在厚度較大的高壓縮性粘土時，地面沉降的風險較大，當回灌率不足時，也可能造成長期但難以察覺的地面沉降趨勢。此外，在山區(qū)還需分析滑坡、泥石流等災害發(fā)生的可能性，防止地下水源熱泵系統(tǒng)遭受災害影響或引發(fā)、加劇地質(zhì)災害。

1.2 周邊環(huán)境及場地條件

建筑物周圍場地可利用面積的多少是地下水源熱泵系統(tǒng)設計階段需考慮的一個主要因素，建筑物周圍需具備布置井群條件，若井間距過小，會引起抽回灌井之間形成“熱短路”，根據(jù)工程經(jīng)驗，抽回灌井的溫差若小于5℃，地下水源熱泵系統(tǒng)的效能將大大降低，可作為判斷熱短路的參考依據(jù)，因此在設計時需要將回灌井對抽灌井溫度的影響減小到可以接受的水平，對滲透性較好的松散砂石層，兩井間距應在100m左右，且回灌井宜在抽水井的下游；對滲透性較差的黏土層，兩井間距一般在50m左右，不宜小于50m[2]。同時，要考慮周邊環(huán)境包括鄰近工程場區(qū)的基礎設施情況，是否為水源保護區(qū)或地下水污染區(qū)等。

1.3 建筑冷熱負荷條件

建筑物冷熱負荷是能否采用地下水源熱泵系統(tǒng)的另一個重要條件。在我國大部分地區(qū)，建筑物冬夏的冷熱負荷需求并不平衡，假如在一個年周期內(nèi)向地下輸入的熱量遠大于冷量，將逐漸增加地下空間的年平均溫度，產(chǎn)生熱島效應，反之產(chǎn)生冷島效應，這都會使地下水源熱泵系統(tǒng)的效率逐漸降低。在設計中一般認為只要年平均溫度的變幅小于0.2℃，在20年內(nèi)的平均溫度累計變化小于4℃時，就可以使用地下水源熱泵。在地上部分，建筑的熱負荷隨室外溫度的變化也在逐時變化，這就要求在設計時考慮到熱泵機組能夠根據(jù)實際需求調(diào)整制熱量。

2 地下水源熱泵工程應用中存在的主要問題

2.1 缺乏必要地區(qū)的適應性分析

不同地區(qū)的地質(zhì)和水文地址條件不同，含水層滲透性、富水性、地下水水質(zhì)和水溫也有很大差異，并非所有地區(qū)都適合采用地下水源熱泵系統(tǒng)。若進入熱泵系統(tǒng)的水量、水溫與設計不同，將會影響系統(tǒng)效率；若水質(zhì)不滿足要求，可能導致系統(tǒng)磨損、結(jié)垢甚至腐蝕設備。同時，由于缺乏全國性的地下水源熱泵的適應性分析和區(qū)域規(guī)劃，導致某些地區(qū)在不適宜地段盲目開展地下水源熱泵工程，再加上對熱泵建設場地勘查力度不夠，造成系統(tǒng)性能下降，回灌困難等問題。某些地區(qū)在設計施工時僅依據(jù)經(jīng)驗值，抽取的地下水回灌困難，無法回灌的地下水就直接排放到地表，造成了極大的資源浪費[3]。

2.2 環(huán)境影響問題

地下水源熱泵系統(tǒng)對周圍和地下環(huán)境有非常緩慢但卻日積月累的影響，如果其不利影響一旦造成，將很難在短時間內(nèi)挽回。首先，由于地下水的過度抽取，使孔隙水壓降低，巖土壓密，進而引起地面沉降，對地面建筑、設施和地下構筑物產(chǎn)生嚴重影響，再加上地下水通常無法全部回灌至原水層，進一步加重地面沉降。據(jù)統(tǒng)計，在北京東部義莊地區(qū)大約有50%以上的地下水源熱泵項目不能完全回灌，造成大量地下水資源的浪費，對環(huán)境的影響不可忽略；其次，地下水水質(zhì)的變化，目前國內(nèi)的地下水源熱泵系統(tǒng)中地下水回路都不是嚴格意義上的密封系統(tǒng)，水路中產(chǎn)生的負壓、回灌過程中的回揚和沉砂池，都會使外界的空氣與地下水接觸，導致地下水氧化，造成一系列的物理、化學和生態(tài)問題。另外，目前國內(nèi)的地下水回路材料基本不做嚴格的防腐處理，地下水經(jīng)過系統(tǒng)后，引起管路、換熱器和過濾管的生物結(jié)垢和無機物沉淀，造成系統(tǒng)效率降低和水井堵塞，甚至引起管路破裂等危險事故；再次，對地下熱平衡的破壞，大多數(shù)地下水源熱泵系統(tǒng)冬季和夏季回灌水的平均溫差在10～15℃左右，某些工程冬夏兩季的回灌溫差可達20℃以上，夏季回灌水的絕對溫度超過30℃[3]，對于冷、熱負荷較大的工程，系統(tǒng)的長期運行容易出現(xiàn)地下冷熱島效應，同時，地下水經(jīng)過地下管路時，溫度和壓力的變化對其熱力學平衡狀態(tài)易造成一定影響，導致熱短路及冷熱量的損失，不但降低熱泵的效率，也會造成地下的冷熱污染，引起相關生態(tài)平衡問題。此外，由于回灌過程中，回灌井附近地下水溫度出現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象，隨著時間的推移，這種溫度變化會影響到抽水井溫度，在系統(tǒng)運行過程中易使地下產(chǎn)生“熱短路”［4］。

2.3 運行管理問題

運行管理是任何一個空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，對于地下水源熱泵系統(tǒng)更是需要監(jiān)管部門進行管理。但在實際工程中，多數(shù)建設單位在設計前期會根據(jù)有關規(guī)定進行取水水資源論證等必要程序，但由于地下系統(tǒng)施工后基本不可見和監(jiān)管不到位，例如：甘肅省張掖市的很多項目在取水井、回灌井口沒有安裝水質(zhì)監(jiān)測和智能計量設施，無法對取水、回灌水量和水質(zhì)進行實施監(jiān)測[5]。再加上部分用戶在地下水源熱泵系統(tǒng)運行中取水井、回灌井頻繁互換或從不互換，使地下水失去儲能作用。同時，目前地下水源熱泵行業(yè)中出現(xiàn) “重施工設計，輕運行管理”的普遍問題，使得在項目設計完成投入使用后，循環(huán)水系統(tǒng)大流量小溫差現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，加大了對地下水資源的開采，也無法最大限度利用含水層的蓄能。

3 地下水源熱泵工程中存在主要問題的解決方案

3.1 前期水文地質(zhì)條件勘查

建設地區(qū)水文地質(zhì)條件是能否采用地下水源熱泵系統(tǒng)的依據(jù)。首先，在設計前應盡可能全方面的掌握該地區(qū)的水文地質(zhì)材料，了解該地區(qū)周圍其他地下水源熱泵的分布情況；其次，進行現(xiàn)場抽水試驗，了解地下水水質(zhì)情況，依據(jù)水量充足、水溫適當、水質(zhì)良好、供水穩(wěn)定、回灌可靠的原則進行可行性研究分析；再次，建設單位應委托的有資質(zhì)的單位編寫地下水資源論證報告，根據(jù)結(jié)論和專家評審意見，確定取水、回水的方式，取水井和回水井的間距、井深、數(shù)量，井的直徑、類型、質(zhì)量要求以及相應的水資源保護措施等；此外，為了確保地下水源熱泵系統(tǒng)設計參數(shù)的準確，避免因設計不合理產(chǎn)生的例如：熱短路、熱平衡等問題，勘察內(nèi)容除了相關的水文地質(zhì)參數(shù)之外，還包括當?shù)貛r土體的熱物理性質(zhì)等。

3.2 建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

為了保護當?shù)氐叵滤Y源、減少對環(huán)境的負面影響，同時規(guī)范建設單位取水、回灌地下水，首先，應當進一步完善計量設施，加強水質(zhì)監(jiān)測，在抽水井、回灌井上必須安裝水量計量表，在回灌井井口必須安裝先進的監(jiān)測水質(zhì)儀器，對抽、回水量的變化、水質(zhì)及對周邊生態(tài)環(huán)境的影響進行動態(tài)監(jiān)測。要求回灌水水質(zhì)一般等于甚至高于原地下水水質(zhì)，盡量做到同層回灌，避免回灌后各個含水層相互貫通引起水質(zhì)污染[5]，抽水井和回灌井應定期交替使用，如圖1所示，當閥門A、D打開，B、C關閉時，井1為抽水井，井2為回灌井，反之井1為回灌井，井2為抽水井；其次，在洗井時盡量采用物理方法，避免造成地下水化學成分的變化；再次，為了防止地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災害的發(fā)生，在熱源井群取水、回灌水系統(tǒng)應進行運行期和非運行期的動態(tài)監(jiān)測，以保證地下水回灌的正常進行。

圖1 回灌井和抽水井交替使用示意圖

3.3 地下水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化運行

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，地下水源熱泵系統(tǒng)不僅需要調(diào)節(jié)熱泵主機的容量，還需要將系統(tǒng)地下水側(cè)、負荷側(cè)、冷熱源設備側(cè)的參數(shù)耦合匹配。為了保證地下水源熱泵系統(tǒng)安全、高效地運行，需要對其運行策略加以優(yōu)化分析。首先，可以根據(jù)建筑熱負荷計算方法和末端設備的特性方程，分析出不同室外溫度下供熱參數(shù)的計算方法；其次，根據(jù)熱泵機組的能耗特性，建立單臺設備的能耗模型和多臺設備的負荷分配計算模型；再次，根據(jù)管網(wǎng)特性方程和水泵變頻的特性曲線，得出同型號水泵并聯(lián)變頻工況下的能耗計算方程。基于上述地下水溫度和各設備的能耗計算模型，建立以地下水源熱泵系統(tǒng)總能耗最小為目標的優(yōu)化模型，再考慮實際其物理意義，對模型提出各種約束條件，保證其安全性和可操作性。

4 結(jié)語

地下水源熱泵技術作為一種可持續(xù)發(fā)展的冷熱源形式，已經(jīng)得到了越來越多的認可和應用。但由于前期的水文地質(zhì)勘查階段不到位和回灌技術不達標，在實際使用中造成了許多地下水資源的浪費、污染問題，加上設計不合理導致了“熱短路”、大流量小溫差等一系列問題。設計者及使用人員在前、后期都應該進行大量的工作，使得地下水源熱泵系統(tǒng)更加合理有效的運行。

[1]張德禎.地源熱泵地下水換熱系統(tǒng)適用性及前期地質(zhì)勘查工作[J].資源導刊：地球科技版，2014，（1）:4-8.

[2]薛玉偉，李新國，趙軍，等.地下水水源熱泵的水源問題研究[J].能源工程，2003，（2）:10-13.

[3]張遠東，萬育生.我國地下水源熱泵應用現(xiàn)狀和監(jiān)管措施探討[J].中國水利，2009（21）：39-41.

[4]劉昀，王貴玲.我國地下水源熱泵發(fā)展中存在的主要問題及對策 [A]//2009第一屆中國地源熱泵行業(yè)高層論壇論文集[C].2009:217-220.

[5]胡小平.張掖市地下水源熱泵系統(tǒng)建設存在的問題及對策建議[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2010（18）：57-58.