地下水地源熱泵系統應用條件分析

胡桂秋

(承德石油高等專科學校熱能工程系，河北承德067000)

地下水地源熱泵系統應用條件分析

胡桂秋

(承德石油高等專科學校熱能工程系，河北承德067000)

對影響地下水地源熱泵系統應用的水文地質條件、建筑物負荷特性、周邊環境及場地條件等因素進行分析，提出了適宜應用地下水地源熱泵系統的條件。

地下水地源熱泵系統;水文地質條件;負荷特性

地下水地源熱泵系統是地源熱泵系統的一種形式，是以地下水體為低溫熱源，由水源熱泵機組系統、地下水換熱系統、建筑物內空調系統組成的供熱空調熱泵系統，如圖1所示。

地下水地源熱泵系統相對于傳統的采暖空調系統相比具有較好的節能性、顯著的環保效益、良好的經濟性等特點，在國內外得到廣泛的關注與應用，但其應用是有條件的，不是任何地區都適合采用該系統。地下水地源熱泵系統應用的條件主要包括水文地質條件、建筑物冷熱負荷條件、周邊環境及場地條件。本文對地下水地源熱泵系統應用條件進行分析，為地下水地源熱泵系統的應用提供參考。

1 水文地質條件

水文地質條件是決定能否采用地下水地源熱泵系統的關鍵所在，控制了整個系統的經濟性。

1.1 基本的水文地質條件

基本的水文地質條件主要為場地含水層巖性、埋深和厚度、地下水位埋深、流向流速和水溫、水質情況。

1)含水層的主要參數為巖性、埋深、厚度及分布。一般地下水地源熱泵系統的含水層為中細砂以上含水層，含水層顆粒越大，含水層的滲透系數(指單位時間內通過單位斷面的流量，一般用來衡量地下水在含水層中徑流的快慢)越大，對單井出水量和回灌量影響也很大，通常情況，粗砂以上含水層滿足出水量的同時，具有較好的回灌特性，粗砂以下的含水層，即使能夠抽取相當的水量，回灌能力也比較差。不同巖性含水層滲透系數經驗值見表1。

表1 不同巖性含水層滲透系數經驗值/(m·d－1)

含水層埋深將直接影響系統的造價。含水層埋置深，勢必造成熱源井深度加大，增加熟源井的成井費用。并且深度到一定程度后，有可能出現地層膠結現象，影響含水層的出水量和回灌量。此外，隨含水層埋深增加，系統抽水成本也將增加。

含水層厚度也是決定水資源的一個重要因素。含水層太薄，將影響熱源井單井出水量。如為了滿足工程項目的需水量而增加熱源井，不僅增加系統成本，也受制于場地可利用面積。

2)地下水水位埋深與能否采用地下水地源熱泵系統密切相關。如果地下水位埋深較淺，雖然抽水井可能較淺，抽水成本可能降低，但熱源井的回灌效果將大大降低。因此，在地下水地源熱泵系統中，不能只單獨考慮含水層能否提供要求水量，還要考慮在這樣的水文地質條件下，回灌效率和回灌量能否滿足要求而不造成環境風險。另外，地下水位埋深不單要考慮勘察時的水位，還要考慮歷史水位，分析、預測場地及其周圍地區地下水位的未來變化。

3)地下水的流向與流速工程場區的地下水的流向與流速對了解水文地質條件很有幫助，通過對流向與流速的分析可以知道工程場區地下水補給和排泄關系，地下水補給能力，這與熱源井的布置有很大關系。熱源井的布置應優先選擇垂直于地下水流方向;在地下水流速較大的工程場區，適當增加井間距。

4)地下水溫度和水質地下水溫度是影響水源熱泵效率的主要因素，不同地區的地下水溫差別很大，一般約比當地氣溫高1～2℃。如北京地區的地下水溫度為14～20℃，而哈爾濱為8～10℃;一般認為20℃左右時，水源熱泵機組的制冷和制熱將處于最佳工況點。地下水水質是直接影響水源熱泵機組的使用壽命和制冷(熱)效率的第二個因素，也是引起腐蝕的根源因素。系統對地下水水質的基本要求是:澄清、水質適宜穩定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結垢等。但當水質達不到要求(含沙量量(1/20 000，渾濁度＜20mg/L，Ca2+、Mg2+總礦度＜200mg/L)時，應采取相應措施。

1.2 適宜的水文地質條件

適用地下水地源熱泵系統的水文地質條件為:含水層具備一定的滲透性，滲透系數較大，含水層厚度大，貯水容積大，無異常地溫梯度現象;含水層上下隔水層要有良好的隔水性，小的隔水層滲透系數，以避免與近含水層短路，造成能量流失，形成良好的保溫層;地下水抽取和回灌，對地下水水質影響應向好的方向發展，不能引起其他不良的水文地質和工程地質現象，如地面沉降、土地的沉陷后沙土鹽堿化等。總結起來就是含水層必須具備“易抽水、易回灌、易儲存”的條件。

1)易抽水。“易抽水”主要是對熱源井抽水的水文地質條件提出的要求。

單從理論上來說，只要有水的地方就可以取水，但從可操作性和經濟性角度看，不是地下所有的地下水都可以取用。水源熱泵系統的熱源井抽水更是受到水文地質限制，只有在合適的水文地質條件下，才能達到經濟、科學、合理。

工程場區熱源井的取水地段應位于富水性好的含水層。含水層層數多、厚度大、滲透性強、分布廣的地段上管井取水效果好。而這樣的地段多位于沖積扇的中、上游的砂卵石層，河流的沖積階地和高漫灘，沖積平原的古河床，厚度較大的層狀與似層狀裂隙和巖溶含水層，規模較大的斷裂及其它脈狀基巖含水帶。

工程場區熱源井的取水地段應具有較好的補水條件。取水地段應有較好的匯水條件，在最大限度攔截區域地下徑流的地段，或接近補給水源和地下水排水區，能夠充分奪取各種補給量的地段。在松散第四系沉積層分布區，管井避免位于沖積扇的靠近山前的位置，而靠近有水河流兩側是地下水優選地。

工程場區熱源井的取水地段位于地下水保障地段。城市建設取用大量的地下水，地下水位在區域上存在一定的降低，而這種沉降在中國的許多城市是相對普遍存在的，因此取水地段不能位于地下水位下降對水源有影響的地段。例如，許多沖洪積水的上流，地下水位的下降，含水層厚度隨著時間變化而變化，在有些時段內，地下水源可能沒有保障，取水就是不可取的。

2)易回灌。適用熱源井回灌的水文地質條件簡單來說就是“易回灌”。

不同的含水層具有不同的回灌效率，從單井回灌量大于單井出水量，到單井回灌量遠小于單井出水量，在實際的含水層中都是存在的。考慮到熱源井的回灌效率和工程可行性，適于回灌的水文地質條件大致如下。

含水層厚度大、滲透性強的地層適于回灌。回灌量的大小與含水層的厚度和滲透性直接相關，含水層厚度大和滲透性強的地段，回灌量大，最適于水源熱泵系統;含水層厚度小而含水層的滲透性強的地段，單井回灌量和出水量也比較大，也基本可以滿足工程本身的要求;含水層厚度大而含水層的滲透性弱的地段，雖然單井出水量可能較大，但回灌量相對較小，一抽二灌、甚至一抽三灌、四灌都是有可能的，并且回灌井的回揚時間間隔相對較短;含水層厚度小而含水層的滲透性弱的地段，完全不適于地下水回灌。

地下水具有較好徑流排瀉的地段適于回灌。地下水回灌到地下，應能夠快速消化回灌的水量，而不能在一定范圍內積聚，形成水丘，因此，回灌層位應具有相當大的范圍，回灌水可以通過徑流進入含水層中而不使含水層中的地下水為快速升高。

地下水位低的地段適于回灌。回灌量的大小除了與含水層的厚度和滲透性有關外，還與水位升高的幅度成正比。因此，初始地下水位降低的地段進行管井回灌，具有了水位不斷升高的條件，可以滿足較大流量的回灌和相對較大時間的回灌。基巖裂隙和巖溶含水層適于回灌。在基巖地區，只要具有一定的滲透性和儲水空間，一般情況下，就可以進行管井回灌。

3)易儲存。“易儲存”則是指適于蓄能的水文地質條件。

單從儲能的角度看，儲能效果要較好，含水層應比較平緩，顆粒較細，地下水流速緩慢。在這樣的地區，由于地下土層的傳熱性和散熱性比較緩慢，所以灌入含水層內的高溫水(低溫水)儲藏幾個月后，抽出時水溫變化不大仍能保持較高(低)水溫。而對水源熱泵系統，抽水井與回灌井同時工作，地下水天然流動速度越大，則系統停運期抽水井溫度恢復越快，在系統冬夏兩季抽水一回灌井交替使用的情況下，可能反而不利于儲存能量的提取。在沖積扇地區，在沖洪積扇頂部，適于采取大口井回灌，以增加地下水補給源，但回灌效果較差，因回灌的水易流失;而在沖積扇的中下部適于進行回灌儲能。

此外，使用地下水地源熱泵系統還需要考慮地質災害對其影響。依據國土資源部的調查結果，我國許多地區的地下水位呈下降趨勢，這種情況下，必須分析使用地下水地源熱泵系統對地下水位降落漏斗惡化的可能性。在地面沉降嚴重地區，需慎重采用地下水地源熱泵系統，以避免不均勻沉降引起系統地下部分的損毀;在有構造斷裂的地區還需要考慮構造的影響;在山區還需分析崩塌、滑坡、泥石流等發生的可能性，以避免應用地下水地源熱泵系統遭受地質災害影響或引發、加劇區域地質災害。

2 建筑物冷熱負荷條件

建筑物冷熱負荷是決定能否采用地下水地源熱泵系統的另一重要條件。如在嚴寒地區冬季漫長，晝夜溫差大，極端氣溫較低，一般建筑熱負荷比較大，制冷使用時間較短，采用地下水地源熱泵系統主要用于冬季供熱，單從熱泵利用角度看，這樣的地區利用地下水地源熱泵系統優越性相對不是很大。即使在同一地區，不同用途的建筑物冷熱負荷特性也不同，如全年基本要求供冷的建筑也不適合采用地下水地源熱泵系統。

影響建筑物冷熱負荷的因素相當多，包括自然地理及氣候條件、建筑的熱工參數等，綜合起來，適宜使用地下水地源熱泵系統的建筑物理想的冷熱負荷條件為:最大冷負荷與熱負荷相差不大，低負荷率分布不是特高，年累計冷負荷和年累計熱負荷接近。

1)考慮到設計時水源熱泵機組、水泵、系統末端設備的選擇及利用率，建筑物最大冷負荷與熱負荷應相差不大，低負荷率分布不高。如一些地區的有些建筑最大冷負荷遠遠大于最大熱負荷，甚至是最大熱負荷的數倍，就會導致水源熱泵系統的水源熱泵機組、水泵、系統末端設備、熱源井等在供熱季的利用效率極低，使得系統一機多用的優點得不到有效發揮。這是因為系統設計時一般都按最大冷、熱負荷來進行設備的選型和設計。另外，這種狀況下水源熱泵系統的初投資與傳統的鍋爐加制冷機系統相比將大大增加，使得其在經濟性方面失去競爭優勢。同樣，低負荷率分布特高時也會存在系統設備利用率過低，系統經濟性差的問題。

2)為減少長期使用水源熱泵系統對地下熱環境產生的影響，建筑物年累計冷負荷和年累計熱負荷要接近。雖然水源熱泵系統對冷、熱負荷的平衡要求沒有像地埋管地源熱泵系統那么嚴格，但并不是說其不用考慮。冷、熱負荷的平衡同樣會對地下水的溫度場和熱環境變化產生影響，甚至對生態環境產生一定影響，而這些影響一旦形成，要挽回往往會付出很大社會和經濟代價，甚至無法挽回。當然對設計來說，年累計冷、熱負荷是否接近關系到是否需采取輔助熱源或冷卻塔等問題

3 周邊環境及場地條件

周邊環境包括鄰近工程場區的建筑情況、地下水地源熱泵系統使用情況、水井情況(包括熱源井)、重要管線等基礎設施情況以及場地所在區是否為敏感地區(如水源保護區、地下水污染區等)。這些都是選擇地下水地源熱泵系統的制約因素。如鄰近工程場區已使用抽水量較大的地下水地源熱泵系統，這就要考慮對本工程場區使用地下水地源熱泵系統的影響:又如工程處于地下水污染區，除非污染含水層的水量能夠滿足地下水地源熱泵系統要求，抽水和回灌均在污染含水層中進行，否則，工程就要通過分別設置水源熱泵系統或單獨使用優質水源來解決。

場地條件主要為場地面積、形狀及坡度，建筑物占地面積及其分布，地下管線和構筑物的分布等一系列情況。其中，場地可利用面積大小是影響地下水地源熱泵系統能夠實施的一個主要因素。因為地下水地源熱泵系統所用的熱源井必須布置在場地范圍內，為了保證熱源井和系統的正常運行，就必須保證有一定井間距來布置熱源井，否則達不到系統要求。

4 結論

地下水地源熱泵系統應用是有條件的，不能盲目地采用地下水地源熱泵系統，應綜合考慮擬建水源熱泵工程區域的水文地質條件、建筑物負荷特性、周邊環境及場地條件是否適宜，充分發揮地下水地源熱泵系統的節能性、經濟性和環保效益。

［1］中華人民共和國建設部.GB50366－2005.地源熱泵系統工程技術規范［S］.中國建筑工業出版社，2005.

［2］文力，黃翔.地源熱泵中央空調應用的探討［J］.制冷與空調，2002，2(4):52－56.

［3］陳超，王陳棟，伍品.地下水地源熱泵系統設計與應用技術的討論［J］.暖通空調，2008，38(7):86－92.

Application Condition of Groundwater Source Heat Pump Systems

HU Gui-qiu
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Detailed comparisons are made in this paper between hydrogeological conditions，building load characteristics，surrounding environment and site conditions，so that the appropriate application conditions are provided for the ground source heat pump(GSHP)system.

groundwater source heat pump system;energy saving and optimization hydrogeology condition;load characteristics

TB657.2

B

1008-9446(2011)01-0044-04

2010-12-17

胡桂秋(1976－)女，承德隆化人，承德石油高等專科學校熱能工程系，講師，主要從事暖通空調類的教學與科研工作。