地下水式地源熱泵前景展望

沈劍杰

（上海長凱巖土工程有限公司，上海200093）

1 背景介紹

地源熱泵是一種利用地下溫度相對穩定的土壤、巖石或水等作為恒溫熱源，通過冷熱交換裝置達到對建筑物進行室內溫度調節目的的設備系統。自20 世紀40 年代問世以來，以其清潔性、經濟性、無限性等優點，在第一次能源危機后被北歐、英美等發達國家廣泛應用，而我國雖然起步較晚，但發展前景廣闊[1-2]。

住房和城鄉建設部發布了《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》，其中要求到2020 年，城鎮新建建筑能效水平比2015 年提升20%，城鎮新建建筑中綠色建筑面積比重超過50%，城鎮可再生能源替代民用建筑常規能源消耗比重超過6%。

國家發展改革委、國家能源局和國土資源部共同印發了《地熱能開發利用“十三五”規劃》，規劃要求在“十三五”時期，我國將新增地熱能供暖/制冷面積11 億m2（其中新增淺層地熱能供暖/制冷面積7 億m2，新增水熱型地熱供暖面積4 億m2）；新增地熱發電裝機容量500 兆W；到2020 年，地熱供暖/制冷面積累計達到16 億m2，地熱發電裝機容量約530 兆W。

2 地下水地源熱泵的研究情況

地源熱泵系統主要包括地表水源熱泵系統、地下水源熱泵系統和地埋管熱泵系統。

地下水地源熱泵在技術上相對成熟，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，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。但由于成井等前期投入費用較高，限制了其廣泛推廣和使用[3-4]。

現階段，國內外對地源熱泵進行了很多研究，多集中于耦合換熱模擬、換熱設備及回填材料、多熱源復合式系統、系統優化匹配等研究[5-6]。同時，還有對新型工質、系統環境影響、系統效益評價方法、設計方法等方面的研究。針對地下水源熱泵，對抽灌井熱貫通、回灌井堵塞、含水層狀態、回灌水水質等問題的研究是現階段研究的熱點內容，但目前多為暖通工程領域的人員對該問題進行研究，水文工程領域參與研究的人員較少。

駱祖江等對丹陽市濱江新城地下水地源熱泵系統優化布井的數值進行模擬分析后，認為基于地下水滲流與熱量運移原理建立的地下水非穩定滲流和熱量運移模型，可以較準確地模擬和預測地下水地源熱泵三維耦合數值模型系統，分析在不同工況運移過程中的熱平衡發展趨勢[7]。

福州某客運站采用地下水地源熱泵系統，該項目節能、環保，經濟效益顯著。上海某農業示范項目的實踐結果表明，在地下水的采灌量保持基本平衡的情況下，地下水源熱泵系統的運行對地面沉降等地質環境影響較小。

3 深基坑井作為熱源井的可行性分析

隨著社會經濟的繁榮發展，城市空間不斷向高處、往深層拓展，高層建筑和深層地下空間日益增加，深基坑工程也隨之大量增多。深基坑工程在開挖的過程中，可能會引發地下水危害，如基坑突涌、滲流破壞或滲流固結不均勻沉降等。為防止地下水帶來的危害，需要對基坑進行降水，減壓井進入承壓含水層，而承壓含水層往往是地源熱泵熱源層。

深基坑往往位于城市的中心繁華地段，周邊建筑物較多，環境保護要求高，而基坑降水施工極易引起周邊地層的沉降及建筑物的變形，影響基坑的安全建設。因此，需要在被保護建筑附近區域設置回灌井，通過回灌的方法減少地層變形。

目前，減壓井和回灌井被視為臨時措施，在基坑工程完工后便進行封井，并未得到有效利用，造成極大的浪費。而在地下水地源熱泵的投資中，有30%以上的投入為熱源井成井的費用。熱源井的成井費用高造成地下水地源熱泵成本居高不下，影響地下水地源熱泵的推廣使用。因此，如能有效地將深基坑降水井及回灌井這種臨時性措施長久利用，不僅可以免去封井環節，有效降低工程造價，而且符合綠色環保、節能減排的要求。

對于地下水式地源熱泵，高鐵錳水有可能堵塞回灌井，影響換熱效率。地下水式地源熱泵機組通過機組內閉式循環系統，經過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換，地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。所以，對抽水回灌工況條件下的除鐵錳進行研究，對于地源熱泵的穩定運行有很大意義。目前，我國很多地方的地下水鐵錳含量超標現象都很嚴重，而且常常是大面積、區域性的。據統計，全國約20%的地下水資源屬于含高濃度鐵、錳的地下水，如蘇錫常地區、福建地區地下水鐵錳含量均較高，甚至超標數倍甚至數十倍。隨著社會的發展，人民生活水平的提高，環境效益越來越受到重視，在地源熱泵使用過程中對地下水進行監測、處理，提高回灌水質，不僅有利于地源熱泵長期有效地使用，同時也有助于改善地下水環境，保證經濟、社會和生態效益共同提升。

利用地源熱泵技術，在地下水回灌過程中的回路并不能做到嚴格的密封，也就造成了地下水不可避免地與外界空氣接觸，使得地下水氧化。此外，國內的地下水回路材料基本上未做相關的防腐措施，故會造成地下水水質發生變化。另外，地下水經過回灌的管路時，一些理化性質的改變能否引起熱力學平衡的改變都不可預測。因此，熱源井結構的設計、水質的處理、抽水—回灌運行是以后研究的重點。

4 結語

地源熱泵作為清潔能源，在環保綠色節能理念被日益重視的今天得到了廣泛的應用，擁有廣闊的市場前景。地下水地源熱泵的技術相對成熟，但成本較高，而采用被視為臨時措施的減壓井和回灌井作為熱源井能夠有效降低成本，符合節能減排的要求。

利用深基坑降水井及回灌井作為地源熱泵熱源井，既改善生態環境質量，還符合習近平總書記提出的“五位一體”的總體布局要求，符合黨中央對生態文明建設戰略部署。

目前，利用減壓井和回灌井作為熱源井尚需解決熱源井結構的設計、水質的處理、抽水—回灌運行等相關問題，這些問題解決后不僅有利于地源熱泵長期有效地使用，同時也有助于改善地下水環境，具有良好的經濟、社會和生態效益。