韓康，謝武剛

（1中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)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(jì)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?zé)豳Y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(shè)計(jì)不合理，在長期運(yùn)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(shè)計(jì)條件和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行初步分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 地下水源熱泵的設(shè)計(jì)條件

1.1 水文地質(zhì)條件

首先，含水層應(yīng)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(xì)砂、中砂、粗砂、卵礫石），富水性強(qiáng)或較強(qiáng)，其單位涌水量應(yīng)大于1500m3/d，滲透系數(shù)大或較大（地下水流強(qiáng)滲透區(qū)的范圍在400～500m/d），水質(zhì)較好[1]，水源的含沙量應(yīng)小于1/200000，濁度應(yīng)小于20mg/L；其次，水源井的取水地段應(yīng)具有較好的補(bǔ)水條件，取水地段應(yīng)靠近地下水排水區(qū)和補(bǔ)給水源等能夠容易獲得各種補(bǔ)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(zāi)害對系統(tǒng)的影響，當(dāng)含水層的頂部或底部存在厚度較大的高壓縮性粘土?xí)r，地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大，當(dāng)回灌率不足時(shí)，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(zāi)害發(fā)生的可能性，防止地下水源熱泵系統(tǒng)遭受災(zāi)害影響或引發(fā)、加劇地質(zhì)災(zāi)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(shè)計(jì)階段需考慮的一個(gè)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(yàn)，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(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)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(shí)，要考慮周邊環(huán)境包括鄰近工程場區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施情況，是否為水源保護(hù)區(qū)或地下水污染區(qū)等。

1.3 建筑冷熱負(fù)荷條件

建筑物冷熱負(fù)荷是能否采用地下水源熱泵系統(tǒng)的另一個(gè)重要條件。在我國大部分地區(qū)，建筑物冬夏的冷熱負(fù)荷需求并不平衡，假如在一個(gè)年周期內(nèi)向地下輸入的熱量遠(yuǎn)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(yīng)，反之產(chǎn)生冷島效應(yīng)，這都會使地下水源熱泵系統(tǒng)的效率逐漸降低。在設(shè)計(jì)中一般認(rèn)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(jì)變化小于4℃時(shí)，就可以使用地下水源熱泵。在地上部分，建筑的熱負(fù)荷隨室外溫度的變化也在逐時(shí)變化，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到熱泵機(jī)組能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整制熱量。

2 地下水源熱泵工程應(yīng)用中存在的主要問題

2.1 缺乏必要地區(qū)的適應(yīng)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(jìn)入熱泵系統(tǒng)的水量、水溫與設(shè)計(jì)不同，將會影響系統(tǒng)效率；若水質(zhì)不滿足要求，可能導(dǎo)致系統(tǒng)磨損、結(jié)垢甚至腐蝕設(shè)備。同時(shí)，由于缺乏全國性的地下水源熱泵的適應(yīng)性分析和區(qū)域規(guī)劃，導(dǎo)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(shè)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(shè)計(jì)施工時(shí)僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(fèi)[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(shí)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(jìn)而引起地面沉降，對地面建筑、設(shè)施和地下構(gòu)筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響，再加上地下水通常無法全部回灌至原水層，進(jìn)一步加重地面沉降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在北京東部義莊地區(qū)大約有50%以上的地下水源熱泵項(xiàng)目不能完全回灌，造成大量地下水資源的浪費(fèi)，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(yán)格意義上的密封系統(tǒng)，水路中產(chǎn)生的負(fù)壓、回灌過程中的回?fù)P和沉砂池，都會使外界的空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化，造成一系列的物理、化學(xué)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(yán)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(jī)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(xiǎn)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(dá)20℃以上，夏季回灌水的絕對溫度超過30℃[3]，對于冷、熱負(fù)荷較大的工程，系統(tǒng)的長期運(yùn)行容易出現(xiàn)地下冷熱島效應(yīng)，同時(shí)，地下水經(jīng)過地下管路時(shí)，溫度和壓力的變化對其熱力學(xué)平衡狀態(tài)易造成一定影響，導(dǎo)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(guān)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(shí)間的推移，這種溫度變化會影響到抽水井溫度，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中易使地下產(chǎn)生“熱短路”［4］。

2.3 運(yùn)行管理問題

運(yùn)行管理是任何一個(gè)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(jìn)行管理。但在實(shí)際工程中，多數(shù)建設(shè)單位在設(shè)計(jì)前期會根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)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(xiàng)目在取水井、回灌井口沒有安裝水質(zhì)監(jiān)測和智能計(jì)量設(shè)施，無法對取水、回灌水量和水質(zhì)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測[5]。再加上部分用戶在地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)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(shí)，目前地下水源熱泵行業(yè)中出現(xiàn) “重施工設(shè)計(jì)，輕運(yùn)行管理”的普遍問題，使得在項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)前應(yīng)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(jìn)行現(xiàn)場抽水試驗(yàn)，了解地下水水質(zhì)情況，依據(jù)水量充足、水溫適當(dāng)、水質(zhì)良好、供水穩(wěn)定、回灌可靠的原則進(jìn)行可行性研究分析；再次，建設(shè)單位應(yīng)委托的有資質(zhì)的單位編寫地下水資源論證報(bào)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(yīng)的水資源保護(hù)措施等；此外，為了確保地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確，避免因設(shè)計(jì)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(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)之外，還包括當(dāng)?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(hù)當(dāng)?shù)氐叵滤Y源、減少對環(huán)境的負(fù)面影響，同時(shí)規(guī)范建設(shè)單位取水、回灌地下水，首先，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善計(jì)量設(shè)施，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，在抽水井、回灌井上必須安裝水量計(jì)量表，在回灌井井口必須安裝先進(jìn)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(jìn)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(gè)含水層相互貫通引起水質(zhì)污染[5]，抽水井和回灌井應(yīng)定期交替使用，如圖1所示，當(dāng)閥門A、D打開，B、C關(guān)閉時(shí)，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(shí)盡量采用物理方法，避免造成地下水化學(xué)成分的變化；再次，為了防止地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，在熱源井群取水、回灌水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行期和非運(yùn)行期的動態(tài)監(jiān)測，以保證地下水回灌的正常進(jìn)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(yùn)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(jī)的容量，還需要將系統(tǒng)地下水側(cè)、負(fù)荷側(cè)、冷熱源設(shè)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(yùn)行，需要對其運(yùn)行策略加以優(yōu)化分析。首先，可以根據(jù)建筑熱負(fù)荷計(jì)算方法和末端設(shè)備的特性方程，分析出不同室外溫度下供熱參數(shù)的計(jì)算方法；其次，根據(jù)熱泵機(jī)組的能耗特性，建立單臺設(shè)備的能耗模型和多臺設(shè)備的負(fù)荷分配計(jì)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(jì)算方程?；谏鲜龅叵滤疁囟群透髟O(shè)備的能耗計(jì)算模型，建立以地下水源熱泵系統(tǒng)總能耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，再考慮實(shí)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(shù)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(rèn)可和應(yīng)用。但由于前期的水文地質(zhì)勘查階段不到位和回灌技術(shù)不達(dá)標(biāo)，在實(shí)際使用中造成了許多地下水資源的浪費(fèi)、污染問題，加上設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致了“熱短路”、大流量小溫差等一系列問題。設(shè)計(jì)者及使用人員在前、后期都應(yīng)該進(jìn)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(yùn)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(dǎo)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(yuǎn)東，萬育生.我國地下水源熱泵應(yīng)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(shè)存在的問題及對策建議[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2010（18）：57-58.