上海地區地下水源熱泵系統適用性研究

黃 堅

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

上海地區地下水源熱泵系統適用性研究

黃 堅

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

淺層地熱能作為在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的特殊礦產資源，得到了較好的推廣和應用，特別是地埋管地源熱泵系統的應用發展較快。而對于應用效率更高，占用地下空間較少，以溫度較為穩定的地下水為媒介，通過熱泵技術進行熱交換的地下水源熱泵系統研究較少。本文旨在綜合分析與評價資源條件，通過應用案例重點對系統運行可能造成地質環境變化的影響因素進行監測和研究，分析地下水源熱泵系統應用的適用性，為上海地下水源熱泵系統的推廣應用提供決策依據。

淺層地熱能；地下水源熱泵系統；資源條件；地質環境影響；適用性分析

隨著全球性能源供應緊張和礦物資源利用引發的環境污染問題與矛盾日益加劇，在一定程度上制約了經濟社會的發展。淺層地熱能主要是通過地源熱泵技術來實現對建筑物的供暖和制冷，可替代或減少建筑物對常規能源的使用量，對優化能源結構、節能減排、建設生態宜居城市發揮積極作用。地源熱泵系統分類主要有地表水源熱泵系統、地下水源熱泵系統和地埋管熱泵系統[1]。近年來，上海市對地埋管地源熱泵應用和研究較多[2～4]，但對于應用效能更高的地下水地源熱泵系統目前還處于實驗研究階段。本文擬通過相關研究，綜合分析地下水源熱泵系統在上海的適用性，為其推廣應用提供決策依據。

1 地下水源熱泵系統的應用現狀

1.1 國外應用現狀

地源熱泵技術起源于歐洲，后來在瑞典、法國、德國、美國等國家廣泛利用，目前熱泵理論與技術均已非常成熟。自1948年第一臺地下水源熱泵系統在俄勒岡州運行，掀起了上世紀歐洲和美國的地源熱泵研究高潮，美國地下水源熱泵系統的應用一直呈上升趨勢。1950年，美國擁有近320臺的地下水源熱泵系統，90年代以后，熱泵系統的應用年增長率約為12%，1997年已近萬臺。至2004年底，美國大約有50萬套地源熱泵在運行，每年大約有5萬套在安裝。根據對美國能源信息署（U.S.EIA）2012年1月公開發布的2000～2009年的數據進行統計分析，地下水源熱泵的應用比例較高，約占70%左右。據研究機構預測，美國地源熱泵的銷量將在未來幾年里呈快速增長的態勢，年銷量將從2011年的15萬臺套，增長到2017年的32.6萬臺套。

與美國不同，歐洲的熱泵系統一般僅用來供熱或提供生活熱水。在歐洲的中部和北部，由于氣候寒冷，主要通過水源熱泵系統，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年統計，家用供熱裝置中水源熱泵所占比例，瑞士為96%、奧地利為38%、丹麥為27%，到2000年，歐洲用于供熱、熱水供應的熱泵總數為46.7萬臺，其中水源熱泵約5.5萬臺[5]。

1.2 國內應用現狀

我國淺層地熱能技術研究可以追朔到上世紀60年代，上海等地開展了地下水儲能技術研究。1997年開始學習和引進歐洲產品后，熱泵技術廣泛應用于國內的空調工程領域，出現了較大規模的地下水源熱泵采暖工程項目，成為華北和中原地區空調系統的一大熱點。到1999年底，全國大約有100套地下水源熱泵供熱、制冷系統。近年來，地下水源熱泵技術發展較快，以北京為例，地源熱泵應用在北京的辦公樓、住宅、學校、商場、賓館、醫院等，應用面積達100余萬平方米[6]。上海市以利用地下水為棉紡廠生產車間供暖和降溫，開啟了淺層地熱能直接應用的先例。根據統計結果分析，目前上海淺層地熱能應用類型主要為地埋管熱泵系統，占到總建筑應用項目的98%，地下水源熱泵系統僅占1%左右，建筑應用面積約為10萬平方米。

2 地下水源熱泵系統工作原理及應用特點

2.1 工作原理

地下水源熱泵系統是一種新型節能環保空調系統，是以溫度較為穩定的地下水為媒介，利用熱泵技術，通過采灌井的水路循環進行熱交換，實現為建筑物供熱或制冷的目的。根據地下水的采灌井布設特征，地下水源熱泵系統分為異井采灌系統和同井采灌系統，主要工作原理如圖1。

圖1 地下水源熱泵系統工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of ground water source heat pump system

2.2 應用特點

地下水地源熱泵在技術上是相對成熟的，與傳統空調系統相比有以下特點：

（1）地下水源熱泵系統適用于地下水資源豐富的地區，可實現對建筑物的供熱和制冷，并可提供生活熱水。

（2）地下水熱泵系統的效率較高，通過少量的電量就可獲得較多的熱量或冷量，通常COP值可達4.0以上。

（3）具有良好的經濟性和適用性，少量的采、灌井就可滿足建筑物的制冷或供熱需要，占地面積少小對場地內的地下空間規劃和使用影響較小。

（4）應用地下水源熱泵系統須符合當地地下水資源管理部門的管理規定。

2.3 存在問題

（1）可能導致地下水資源受到影響。一是地下水源熱泵系統需要抽取一定量的地下水，進行換熱后再進行回灌，常常由于回灌量的不足，導致地下水位的下降，耗費寶貴的地下水資源；二是施工時回填料、井管材的腐蝕、洗井材料等均可能引起地下水污染；三是地下水、土中對溫度比較敏感的微生物等可能會受到一定的影響，地下水水質可能會發生變化。

（2）可能引發地面沉降地質環境問題。地下水源熱泵系統的運行可能導致不均勻地面沉降。熱泵系統取水的目標含水層一般為較為松散的砂土層或砂土層中夾有一定厚度的粘土層，土層的壓縮性較大，地下水位下降后產生土層的壓縮變形，可能引發地面沉降。

（3）可能引發地下溫度場的變化。在建筑物的冬季和夏季冷熱負荷不均衡的條件下，大規模、集中的地下水源熱泵系統長期運行后，可能產生區域性的地下熱（或冷量）的堆積，改變原溫度場的狀況，可能導致系統的效率衰減，影響系統的正常運行[7]。

3 應用條件分析

3.1 資源條件

上海地區屬長江水系，江、海、湖、河相間，水網交織，150m以淺深度范圍內主要為第四紀松散沉積物，分布有潛水含水層、微承壓含水層（局部）、第一、第二、第三承壓含水層等多個含水層，地下水資源較為豐富。根據調查評價結果，作為可選擇作為地下水源熱泵系統的目標含水層的第二、第三承壓含水層，其主要水文地質參數和指標如下：

（1）含水層厚度較大。第二承壓含水層頂板埋深一般為60～70m，溝通區厚度一般為50～70m，第三承壓含水層頂板埋深一般為100～120m，溝通區厚度一般大于50m；

（2）含水層的富水性較好。第二、三層承壓含水層單井涌水量一般為1000～3000m3/d，局部可達5000m3/d以上；

（3）滲透系數為一般為20～40m/d。第二承壓含水層除部分地區外，滲透系數一般為30～40m/d，最大達60m/d以上。第三承壓含水層的滲透系數總體比第二承壓含水層的小，一般為20～30m/d，部分地區為30～50m/d；

（4）導水系數一般為500～1500m2/d。第二承壓含水層山南部以粉細砂為主的地區，導水系數一般為500～1000m2/ d，北部、西部以中粗砂為主的地區，導水系數一般為1000～1500m2/d，局部地區大于2000m2/d。第三承壓含水層大部分地區導水系數一般為500～1000m2/d；

（5）水溫適宜。第二承壓含水層水溫一般在18.5～19.5.0℃之間，第三承壓含水層水溫在19.5～21.5℃之間；

（6）大部分地區礦化度大于1.0g/l。第二承壓含水層大多為礦化度大于1.0g/l的微咸水—咸水，部分地區分布有礦化度小于1.0g/l的淡水。第三承壓含水層的礦化度大都為1.0～10.0g/l的微咸水—半咸水，局部地區分布有礦化度大于10.0g/l的咸水和礦化度小于1.0g/l的淡水。

（7）通過多年來地下水管控措施的實施，地面沉降防治成效顯著。據相關單位的研究數據表明，2016年上海地區第二、第三承壓含水層地下水位分別抬升了0.01～0.86m、0.03～1.38m。

3.2 適宜性分區

根據第二、第三承壓含水層的含水層厚度、含水層巖性、含水層富水性、導水系數、地下水水質、地下水水位等評價指標，采用層次分析法，劃分為不適宜區、較適宜區和適宜區。并在此基礎上結合地面沉降防治規劃和管控要求，采用單因素判別法對第二、第三承壓含水層地下水源換熱系統適宜性進行綜合分區，劃分為潛在適宜區、潛在較適宜區和不適宜區三個級別，如圖2、圖3。

圖2 第二承壓含水層地下水換熱系統適宜性分區Fig.2 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in second confned aquifer

圖3 第三承壓含水層地下水換熱系統適宜性分區Fig.3 Suitability zoning diagram of ground water heat exchange system in third confned aquifer

3.3 資源評價

綜合地層特點、施工適宜程度、建筑物負荷和經濟合理性，上海地區地下水源熱泵系統的目標含水層一般選擇第二或第三承壓含水層。根據上海市淺層地熱能調查評價成果，在不考慮土地利用系數的情況下，全區第二、三承壓含水層可供應用建筑面積和資源潛力評價結果如表1。

表1 第二、第三承壓含水層可供建筑面積及資源潛力Table1 Available area for construction and resource potential of second and third confned aquifers

3.4 應用案例

上海市由于地下水開采受到嚴格控制，地下水地源熱泵系統應用未得到推廣，目前仍處于應用研究階段。本文通過對某已建地下水源熱泵系統應用項目進行跟蹤監測，分析系統運行對地質環境的影響程度。

項目情況：某農業示范項目，采用地下水換熱方式淺層地熱能用于溫室的供暖和供冷，溫室面積約21000m2，采用全封閉地下水抽回灌系統，系統目的含水層為第二承壓含水層，共布置4口采、灌井，2抽2灌，井深104.5m。2016年系統運行情況：上半年為供暖工況，四月中旬進入間歇期，六月下旬轉為供冷工況，九月上旬進入間歇期，十一月下旬開啟供暖。監測內容包括水溫監測、分層沉降、地表沉降、水質監測、水位監測。

水溫動態情況：根據2016年度監測數據，年初開始階段為供暖工況，取水井對地下水溫的擾動很小，回灌井周邊水溫持續下降，最大降幅約為4℃；六月下旬轉為供冷工況，由于冷水井內水溫遠低于熱水井，熱泵利用后，回灌水水溫仍低于對該區域水溫，由于供冷需求較小，區域水溫很快恢復至19℃左右。

水質變化情況：2016年度數據顯示，本年度該場地的水質略有變化。水質監測井中陰離子SO和NO略有增加。

水位動態情況：地下水水位有一定的變化，水位最大變化幅度約為2.5m。

地表沉降情況：根據對23個測點的數據分析，監測三年來累計變化范圍為1.16～-4.83mm，沉降量較小，2014～2016年間累計沉降量如圖4。

圖4 地表監測點2014～2016年度累計沉降量Fig.4 Cumulative settlement of surface monitoring point from 2014 to 2016

分層沉降情況：通過對監測數據分析，含水層、隔水層的土層發生了一定的變形，含水層地層壓縮了1.04mm，下伏隔水層回彈了1.36mm，上覆土層壓縮了0.47mm。在系統運行期間內，由于采灌相結合，上覆土層和下覆土層的整體變形量較小，土層2014～2016年累計變形量如圖5。

圖5 土層2014～2016年累計變形量Fig.5 Cumulative deformation of soil layer from 2014 to 2016

4 結論與建議

4.1 結論

本文通過對上海地區淺層地熱能調查評價成果以及應用項目多年的監測數據進行分析，并結合地下水及地面沉降管控要求，得出如下的結論：

（1）上海地區擁有豐富和穩定的地下水資源，調查數據表明，本市大部分地區的第二、第三承壓含水層的主要水文地質參數能滿足地下水地源熱泵系統應用的資源條件。

（2）在地下水的采灌量保持基本平衡情況下，地下水源熱泵系統運行對地面沉降等地質環境影響較小。應用項目監測數據表明，地下水源熱泵系統運行過程中水質、水位、水溫會發生一定變化，但年度總體變化不大；分層沉降上覆土層、含水層和隔水層沉降量較小，三年累計沉降量平均小于2mm。

（3）國內外的研究和實踐表明，科學合理的地下水資源管理方式既不是完全管制也不是完全放開，應是管控相結合，在采灌之間取得平衡。上海地區多年來開展的地面沉降防治工作取得了一定的成效，各承壓含水層地下水位逐年回升。

4.2 建議

通過綜合研究和分析，對上海地區地下水源熱泵系統應用提出如下建議：

（1）在滿足地下水保護和地面沉降管控要求的前提下，建議本市地下水源熱泵系統在應用研究的基礎上可在適宜的地區開展適當規模的應用與示范。

（2）地下水源熱泵應用項目在實施前應提交水資源論證報告，提出地下水的水量、水質保護措施，應布設監測設施，對回灌率、水位、水溫和水質等進行監測。水資源論證報告應得到水務管理部門批準后才能實施，項目建成運行一定時間后應進行試驗評估。

（3）應加強系統實施過程中的監管，落實各項保護措施，系統設計前應進行水文地質調查，采灌井的布設要科學合理，在確保能夠充分回灌的同時，要防止采井區發生不均勻地面沉降。

（4）在條件成熟時，建議出臺地下水源熱泵應用相關管理制度，科學規劃，明確管理職責，規范上海地區地下水源熱泵的應用行為，充分發揮地下水源熱泵系統顯著的節能環保特性和經濟性的優勢。

（5）監測數據表明，地下水源熱泵的應用在一定程度和時間范圍內地下水的水質和地溫略有變化，建議相關單位加強對應用項目的監測和研究工作，確保地下水資源的安全和可持續利用。

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Research on applicability of groundwater source heat pump system in Shanghai

HUANG Jian
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

Shallow geothermal energy has been greatly developed and publicized as an affordable mineral resource that is worthy to research under today’s economic environment and technological conditions.The application of ground source heat pump system using buried pipelines is advancing especially rapidly.However, the underground water-source based heat pump system has attracted much less research and attention.This system employs underground water, which has a relatively stable temperature, and heat pump technology to accomplish ground heat exchange; it not only is more effcient but also requires less space.This paper tries to achieve a comprehensive analysis and an evaluation of resource condition of the underground water-source based heat pump system.The potential factors caused by such system that may create geological impact on the environment are carefully monitored and studied.The goal of the paper is to analyze the applicability of this system in order to provide advice for the urban plan to further develop the underground water-source based heat pump system.

shallow geothermal energy; groundwater source heat pump system; resource conditions; geological environment impact; applicability analysis

P314

A

2095-1329(2017)03-0053-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.012

2017-07-11

修回日期: 2017-08-18

黃堅(1969-),女,碩士,高級工程師,主要從事水文地質工程地質及淺層地熱能應用技術研究.

電子郵箱: huang_jane@sina.com

聯系電話: 021-56956111

上海市科委科研項目“淺層地熱能可持續利用關鍵技術研究與示范”(13dz1203100)