水源熱泵系統在太原市的評估和應用分析

摘 要：水源熱泵技術具有高效節能、節水省地、維護方便、環保效益顯著等優點，加之近些年國家對可再生能源開發利用的政策支持和重視，因而得到了大力推廣。文章主要對水源熱泵在太原地區的適宜性作了研究，并提出了一些建議。

關鍵詞：水源熱泵；太原；應用

1 水源熱泵系統介紹

水源熱泵根據對水源利用方式的不同，可以分為閉式系統和開式系統兩種。閉式系統是指在水源一側為一組閉式循環的換熱套管，該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通過與土壤或海水換熱來實現能量轉移。開式系統是指從地下抽水或地表抽水后經過換熱器直接排放的系統。本文的研究對象為閉式系統，水源熱泵閉式系統在制冷時，地下水進入機組冷凝器，接受排放的熱量后水溫升高，該水通過管道系統回到回灌井中，完成循環。在供熱時，地下水進入機組蒸發器，熱量被吸收后水溫降低，該水通過管道系統回到回灌井中，完成循環。水源熱泵抽灌模式分為單井抽灌和對井抽灌。單井抽灌模式采取在一口井內下抽上灌的策略，實現地下水的抽灌循環。單井抽灌既可在同一含水層中，也可在中間有粘性土隔水層的多個含水層中。抽灌在同一含水層中完成時，要求含水層厚度足夠大，避免抽灌水的熱傳遞。對井抽灌也適應于單一含水層和多個含水層。這兩種抽灌模式各有利弊，實踐中應根據場地的水文地質條件、場地的面積和需水規模來判斷使用何種模式。

2 水源熱泵系統對地下水的影響

水源熱泵系統在使用過程中所抽取的水量將實時回灌到含水層中。由于抽灌井距離較近，所以水井使用時消耗的水資源量會得到及時的補給。太原地區水文地質條件一般，含水層厚度為4-6m，雖然水井使用時有等量水回灌，自身水位降深不大，但含水層較薄，富水水體較小，使回灌水較快回補，容易造成熱傳遞。水井設計時除了保證回灌，也要在水井上部止水，確保系統的封閉性。一般采用泥球止水和水泥砂漿止水，使水井上部既不出水也不回水，在水位保持動態平衡的情況下，封閉含水層以上的地層，確保水井周圍不會塌陷。水源熱泵空調系統運行時，水位降深小，使用過程中對地質環境產生的影響不大。

山西省太原市的今繡西溝酒家采用了水源熱泵空調系統，我們對其應用情況進行了為期四個月的調查和監控，該酒店的水源熱泵系統每天使用時長約為6個小時，酒店溫度可以達到較為理想的空調設計溫度，抽水量和回水量能夠保持基本平衡，水源井靜水位維持在恒定位置，未出現水位較大波動，且未影響到水源井的水質，期間我們主要的監控內容有：水溫、室溫、水位、抽水回水量、用電量、運行時長等。通過對該處水源熱泵系統的監測發現，其空調系統運行時地下水溫度變化保持在±5℃，且為密閉系統，減少了化學成分與氧接觸起化學反應的條件。可見，水源熱泵系統的應用短期內不會影響地下水的水質，但是我們應當建立長期的監測機制，進行系統全面的考察和分析，多方比對調研，驗證水源熱泵系統在當地的適宜性。

就當前而言，水源熱泵系統在太原市得到了良好的推廣和應用，比如今繡西溝酒家、老年公寓、科偉通辦公樓、省殘聯康復中心、環保局住宅樓、學府商業綜合樓等都采用了水源熱泵系統，在這中間，今繡西溝酒家、山西省實驗中學、科偉通辦公樓、老年公寓的水源熱泵系統運行情況良好，且取得了不錯的成效。

3 太原市水源熱泵系統建設的適宜區域

根據太原市盆地區孔隙地下水的水文地質條件、含水層分布規律、富水性特征以及開發利用條件和地下水資源保護的特殊要求，對適宜發展水源熱泵系統建設的區域進行分析。

對于垂直深度而言，淺部地下水由于受到環境污染、污水滲漏和灌溉等的不利因素影響，其水質狀況較差，存在不安全性。一般生活用水井開采含水層的封閉深度都在100m以上，太原市生活用水的開采深度也在100m以上，因此我們將水源熱泵系統開采的地下水含水層深度確定在100m。攝樂斷層以北地區為太原市城市供水水源重點保護區，不宜發展水源熱泵系統。攝樂斷層以南的汾河現代沖積平原區是發展水源熱泵系統的理想區域。包括了北部生態園區、長風商務區、高新技術開發區、太原經濟開發區、小店汾東新區等重點開發建設區域。從地下水含水層的富水程度以及目前城市建設與供熱系統的建設情況分析，三給地壘區區域含水層顆粒粗，為粗砂礫石層，厚度大，可達60m，富水性強，水井單井出水量可達到2500m3/d，是水源熱泵可以發展的重點區域。沿汾河西岸由北向南，大東流-瓦窯村-南上莊-吳家堡-新晉祠路以東區域，汾河東岸學府街起，從體育路-小店鎮以西的地區，該區域含水層為含礫粗中砂層，厚度較大，可達40～50m，富水性較強強，水井單井出水量可達到1200m3/d～2000m3/d，該區域也是水源熱泵系統開發和利用的理想區域。

4 水源熱泵系統建設的基本要求

水源熱泵系統建設時，系統與系統的建設距離控制在500m以上為宜，要保證系統的封閉性，淺層封閉厚度不小于20m；嚴格控制鑿井深度，水井深度控制在100m以內，把握好成井質量，特別是出沙率必須控制在1/10000以下，嚴禁踏井事故發生并嚴格控制系統的水量損耗， 損耗水量必須達到1%以下，杜絕從系統內取水，回灌井要多于抽水井，確保回灌率，控制在99%以上；此外，要建立自動監控監測系統，監測項目包括水位、水溫、水質、抽灌水量等。

水源井的其它基本要求：第一，單口水源井做到能抽能灌。出水井主要解決井水含沙量問題，而回水井不但考慮回灌也要考慮淤積。水源井要同時具備出水、回水功能，在系統運行中實現自動洗井，如此而言，水井壽命就可長達30年。在實際的運行中，這口井在這段時間是抽水井，在另一段時間是回灌井，這一點與“單井回灌”不同，“單井回灌”是同一口井又抽又灌，它最大的問題是容易出現井水短路，溫度衰減。實踐證明不同的井互為抽灌，并交替使用，能大大提高回灌效率，延長井的使用壽命。第二，防塌陷設計。眾所周知，水源井塌陷的原因多為回灌不好和上部沒有止水。對于濕陷性、半濕陷性土壤而言，如果發生回灌不好形成淤積現象就非常容易產生塌陷，對于水井設計而言，在保證回灌的同時還必須做好水井上部止水，通常的做法是使用泥球和水泥砂漿進行止水，避免水井上部的出水和回水，保持水位保持動態平衡的前提下，將30米以上的水層做好封閉，保證不對水井四周的構建物產生不利影響。第三，加設動態水位監測裝置此裝置可以有效的監測水源井在運行中的水位變化情況，可以隨時了解井的回灌情況，從而能夠判斷是否需要進行抽灌交替、洗井等，可以有效的管理水源井的運行，真正作到了解井才能管好井，一般動態水位監測裝置的精確度為±10cm，在機房統一監控。第三，加設井水溫度、流量信息采集。在井水進出水管道上加設溫度電偶及電子流量計，把井水溫度及流量信息傳遞到機房，并做分時段的記錄，這樣可以掌握井水運行過程中的信息情況。

參考文獻

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[2]張學林.原生污水源熱泵技術的開發與應用[J].山西能源與節能，2008（3）.

作者簡介：宇潤練（1976，5-），男，漢族，太原理工大學水利科學與工程學院，工程碩士，就職于太原市水利科學研究所。