地下水源熱泵系統適宜性分析

戈建民，王亞彬

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061；2.天津市地質調查研究院，天津300191）

地下水源熱泵系統適宜性分析

戈建民1，王亞彬2

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061；2.天津市地質調查研究院，天津300191）

在分析天津地區Ⅱ-Ⅴ深層含水組含水層富水性、水溫、水質和水位埋深條件基礎上，研究地下水源熱泵的適宜性，為地下水分區管理提供科學依據。

地下水源熱泵；單井回灌量；熱交換層位；深層巖水

地下水源熱泵系統的水量、水溫、水質和供水穩定性是影響水源熱泵系統運行的重要因素。由于天津平原區第I含水組地下水一般富水性差、水位埋深淺、大部分地區礦化度高，不適宜于用來作地下水源熱泵系統的熱交換層位，因此本次地下水源熱泵系統的適宜性只考慮第Ⅱ～Ⅴ深層含水組。

1 影響因素分析

1.1 含水層富水性

天津市深層地下水含水組單層厚度小于10m或含水組中砂層總厚度小于20m，出水量低于60m3/h的地區將不予建設新的地下水源熱泵系統，而這些地區，均分布在導水系數小于100m2/d的地區，因此，將含水組導水系數小于100m2/d的地區劃為欠適宜區。富水性好的地區，單井回灌量較大。

1.2 水溫

地下水源熱泵系統對地下水溫有較為嚴格的要求，按GB/T 19409《水源熱泵機組》的要求，水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍為：①水環熱泵系統，20～40℃（制冷），15～30℃（制熱）；②地下水熱泵系統，10～25℃（制冷），10～25℃（制熱）

1.2.1 夏季制冷時

機組處于制冷模式下運行，進入冷凝器的地下冷卻水水溫不得低于15℃時，可采用把地下抽取水于冷凝器出口冷卻水相混合的方法來提高冷卻水進口水溫。進水溫度20℃時，能保證機組長壽命運行，制冷效果最好。

1.2.2 冬季制熱時

進入機組蒸發器的熱源水溫度可使用范圍10℃～25℃，不直接使用低于10℃的熱源水，應采用輔助加熱手段后方可使用。

由于天津市第Ⅱ～Ⅴ含水組的地下水溫在多13～40℃，對于地下水溫大于30℃的地區，劃為欠適宜區。

1.3 地下水水質

1.3.1 水源熱泵

地下水水質對水源熱泵適宜性的影響主要從兩個方面來考慮：一是地下水質對單井回灌能力的影響，在計算單井回灌能力時已經考慮；二是地下水質對設備的腐蝕損壞，地下水的水質，應適宜于系統機組、管道和閥門的材質，不產生嚴重的腐蝕損壞。天津市第Ⅱ～Ⅳ含水組水礦化度基本上小于2g/L，滿足熱泵要求。

1.3.2 設備腐蝕

地下水質對設備的腐蝕損壞，與設備安裝及材質有很大的關系。水源的含砂量應小于1/200000；渾濁度小于20NTU；如果水源熱泵系統中裝有板式換熱器，水源水中固體顆粒物的粒徑應小于0．5mm；pH值6．5～8．5；CaO含量小于200mg/L；礦化度小于3g/L。地下水地源熱泵系統對水質要求如表1。

表1 地下水地源熱泵系統對水質要求

本次適宜性研究中，除將礦化度大于2g/L的地下水分布區做為不適宜地下水源熱泵系統的建設區外，其他不再考慮。

1.4 地下水位埋深

地下水位埋深對水源熱泵建設適宜性的影響，體現在3個方面：①對地下水回灌能力的影響；②對水源熱泵系統提水能力的影響，地下水位埋深越大，系統提水能力越小，提水成本越高；③當地下水位持續下降，地下水位埋深超過100m，地下水資源嚴重超采。

綜合后兩方面來考慮，當地下水位埋深超過90m時，為不適宜區；而當地下水位埋深不超過90m時，可不考慮地下水位埋深因素。

2 適宜性分區

根據本次定義的適宜性含義及影響因素分布，確定以下分區標準。如表2。

表2 地下水源熱泵系統適宜性分區標準

2.1 適宜性分區

根據適宜性分區標準，確定天津市深層含水組地下水源熱泵系統分區。

2.1.1 第Ⅱ含水組

適宜區主要分布于薊縣西部、寶坻區南部沿潮白河兩側、寧河西部、東麗區東北部及靜海西部沿子牙河一帶，這些地區單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，地下水位埋深及水溫適中，有利于回灌。

較適宜區主要分布于薊縣南部至海河以北地區，包括了寶坻、寧河、武清、北辰區的大部分地區，漢沽全區，中心城區、東麗區、塘沽區的北部地區等，另外在靜海縣西部沿南運河一帶也有分布；這些地區單井涌水量多在60～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中。

欠適宜區主要分布于海河以南地區，包括了西青區、津南區、大港區，中心城區、東麗區、塘沽區的南部地區，靜海縣西部地區，別外在武清區的北部及薊縣的中部地區也有較大面積的分布；這些地區單井涌水量多小于60m3/h，回灌能力多小于25m3/h，部分地段地下水位埋深較淺，不利于地下水源熱泵系統的建設。

2.1.2 第Ⅲ含水組

適宜區主要分布于寶坻—薊運河斷裂南側（武清區北部、寶坻區西部等）、漢沽及塘沽北部沿海地區、靜海縣中西部地區、寧河西側至東麗區北部等地區，這些地區單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，地下水位埋深及水溫適中，有利于回灌。

較適宜區分布范圍較廣，包括了寧河、武清、北辰區、西青區、東麗區、塘沽區的大部分地區及靜海縣東部地區；這些地區單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中，可進行地下水源熱泵系統的建設。

欠適宜區主要分布于大港區、津南區，北辰區中部至中心城區沿海河一帶，這些地區單井涌水量多小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，不利于地下水源熱泵系統的建設。

2.1.3 第Ⅳ含水組

適宜區主要分布武清區的東北部至寶坻西部、靜海縣大部分地區、漢沽等地區，這些地區單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，有利于回灌，適宜于進行地下水源熱泵系統的建設。

較適宜區主要包括武清區西北部至東南部、北辰區、寧河中南部地區、塘沽區北部及沿海地區、津南區的西部、大港區的東部及靜海縣北部、東部地區等；這些地區單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，地下水位埋深及水溫適中，可進行地下水源熱泵系統的建設。

欠適宜區主要分布于寶坻區的東部南部、武清區的西南部至西青區，津南區的大部分地區及大港區西部部分地區；這些地區大部分地段單井涌水量多小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，而另一些地區段存在地下水位埋深過大及地下水溫偏高等不利于地下水源熱泵系統的建設。

2.1.4 第Ⅴ含水組

適宜區分布面積較小，主要分布于靜海縣大中東部、寧河的東北部及西南部、塘沽區的北端等地區，這些地區單井涌水量多大于80m3/h，回灌能力多大于50m3/h，有利于回灌，適宜于進行地下水源熱泵系統的建設。

較適宜區主要包括武清區中西部、寧河縣的中部至漢沽區、塘沽區中部地區、北辰區中西北、中心城區北部、靜海縣東部至大港區西部等；這些地區單井涌水量多在50～80m3/h之間，回灌能力多在25～50m3/h之間，可進行地下水源熱泵系統的建設。

欠適宜區分布面積較大，主要分布于武清區東部、寶坻區大部分地區、西青區、津南區、東麗區、大港區等；這些地區部分地段單井涌水量小于50m3/h，回灌能力多小于25m3/h，而另一些地區較大區段均存在地下水位埋深過大及地下水溫偏高等不利于地下水源熱泵系統的建設。

3 結語

（1）第Ⅲ、Ⅳ含水組更適宜于地下水源熱泵系統的建設，適宜區及較適宜區分布面積較大。

（2）寧河縣、漢沽區、塘沽區北部、靜海縣西部地區、中心城區北部至北辰區多適宜于深層含水組地下水源熱泵系統的建設，而西青區、津南區、大港區、薊縣平原區建設深層含水組地下水源熱泵系統的適宜性較差。

［1］天津市水文水資源管理中心.井水源熱泵技術應用后評價報告［R］.2008.

［2］天津市地質調查研究院.天津市地下水可持續利用調查評價成果報告［R］.2011.

［3］天津市塘沽區水資源管理中心.天津市塘沽區水源熱泵系統因灌儲能工程研究報告［R］.2011.

［4］薛禹群.地下水動力學［M］.北京：地質出版社，2003.

［5］上海市水文地質大隊地下水人工回灌編寫組.地下水人工回灌［M］.北京：地質出版社，1977.

［6］天津市水務局.天津市地源熱泵系統管理規定［Z］.2011.

（責任編輯：姜彤宇）

Suitability analysis of groundwater source heat pump system

GE Jian-min1，WANG Ya-bin2
（1.Tianjin Hydrology and Water Resource Investigation Management Bureau，Tianjin 300061，China；2.Tianjin Institute of Geological Survey，Tianjin 300191，China）

The research of groundwater source heat pump suitability based on the analysis of water yield property，water temperature，water quality and water depth condition of Tianjin region the second to the fifth deep water aquifer.This paper provides scientific basis for the partition management of groundwater.

groundwater source heat pumps；quantity of standing column well；horizon of heat exchange；deep aquifer

S277.9

：A

：1672-9900（2017）02-0067-03

2017-03-20

戈建民（1969-），男（漢族），河北康保人，高級工程師，主要從事水文學及水資源研究工作，（Tel）022-28452268。