安徽省地源熱泵換熱系統適用條件分析

韓非，汪國武 （安徽兩淮建設有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

地源熱泵是以巖土體、地下水、地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的中央空調系統或熱水系統。根據淺層地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統[1]。而淺層地熱能是指蘊藏于地表以下200m埋深的淺巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能，所以地質條件是選擇設計換熱系統的首要因素和基本依據。

安徽省位于我國東南部，居華東腹地，屬泛長三角地區。全省國土面積139600km2，有15個中心城市，地源熱泵系統作為供熱空調系統已經在安徽建筑節能中廣泛應用，換熱方式主要是地埋管換熱系統。全省利用地源熱泵系統供暖/制冷面積已超過2000萬m2，省會合肥約800萬m2（濱湖新區在建分布式能源站約200萬m2），到“十三五”末，安徽地源熱泵系統供暖/制冷面積將達到4800萬m2。本文主要根據安徽省地質條件對地源熱泵系統換熱方式使用條件進行分析。

1 安徽氣候和地形及地貌

安徽地處中緯度地帶，為暖溫帶向亞熱帶過渡的季風氣候類型；淮河以北地區屬溫帶半濕潤季風氣候，淮河以南屬亞熱帶濕潤季風氣候，屬于夏熱冬冷地區，也是地源熱泵系統開發利用的適宜地區。安徽地形復雜，地處黃淮海平原南緣、秦嶺東延余脈、長江中下游平原和江南丘陵北部的交變地帶，跨長江、淮河及新安江三大流域，地勢南高北低，西高東低，北部平原坦蕩，中部丘陵起伏，西部及南部為山地。全省分淮北平原、江淮波狀平原、皖西山地、沿江丘陵及皖南山地五大地貌單元[2]。

2 地表水換熱系統適用地區

地表水熱泵系統是指通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及塌陷區水作為熱泵冷熱源[1]。

安徽省境內地表水比較豐富，共有河流2000多條，資源總量約672.20億m3，除東南部新安江水系屬錢塘江流域外，總體分屬長江、淮河兩大流域。長江自西南入境，匯華陽河、皖河、滁河、青弋江及水陽江等支流，境內長416km，長江流域6.68萬km2，占全省總面積的47.6%。淮河自西向東橫貫安徽北部，流經長約430km，淮河流域6.75萬km2，占全省總面積48.0%。新安江源于安徽東南部山區，在安徽境內為其上游段，呈樹枝狀水系，長194.3km，流域6197.8km2。主要支流有率水、休寧河及豐樂河等。安徽湖泊星羅棋布，湖泊580多個，總面積約3800km2，多集中分布于沿淮和沿江地區，沿淮南岸及沿江北岸湖泊分布較多（圖1）；還有人工建造的水庫、采礦塌陷積水區等地表水體[2]。巢湖位于合肥市工作區南部，面積776km2，是省內最大的湖泊，也是全國五大淡水湖泊之一。

地表水具有動態變化的特點。由于地表水體直接暴露于地表，地表水溫度受光照、氣溫等明顯影響。在地表水流動性較小的情況下，冬季氣溫較低，其淺部溫度低而深部較高；夏季氣溫較高，淺部地表水溫度高而深處較低。地表水在流動狀態下，其溫度相應呈混合型[3]。而設計地表水換熱系統的主要影響因素是地表水的深度、流量和溫度，還要獲得相關部門的允許。地表水換熱系統從水質和能效的角度考慮，主要采用開式系統，因此，取水高差和水位變化將影響取水水泵的選擇，動態變化的水溫則是決定熱泵機組性能的關鍵因素[4]。

圖1 安徽省地表水體分布

安徽適用地表水換熱系統的地區很多，有長江流域、淮河流域和新安江流域，有巢湖、太平湖、瓦埠湖等等眾多湖泊，有淮北、淮南的眾多塌陷區，但真正實施的項目不多，只有合肥大劇院、黃山市香茗酒店和玉屏假日酒店等項目。主要是因為項目在設計時未考慮水體的換熱能力和環境因素，例如，夏天換熱后將水直接排放到水體中，造成生態破壞；未考慮水位隨季節變化等因素，造成冬天換熱能力不足等，形成了對地表水換熱系統的認識誤區，造成建設單位和設計部門接受程度不夠。

3 地下水換熱系統適用地區

地下水換熱系統即深井回灌式水源熱泵系統。該系統通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至地源熱泵機組，經提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。安徽省地下水類型可分松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖漿巖類裂隙水及變質巖類裂隙水[5]。

松散巖類孔隙水主要蘊藏于淮北、江淮、沿江平原及山間谷地，其巖性在淮北平原為新近系及第四系粘性土與砂互層，主要指阜陽、亳州及宿州市工作區，淮北、蚌埠及淮南市次之。淺層地下水多呈條帶狀分布，為潛水及微承壓水，深層地下水為承壓水；單井涌水量一般為10～50m3/h。淮河以南有新近系-下更新統砂礫夾粘性土，中更新統下部泥礫和上部網紋紅土，中更新統下蜀粘土和全新統粘性土及砂、礫石層。淮北平原地區地下水總體較豐富。淮北平原水文地質區多為溶解性總固體小于1g/L的重碳酸型淡水，溶解性總固體總體北高南低，地下水含砂量多超標，超標值10～50mg/L，水質結垢性為結垢多，以淮南市工作區較為嚴重。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要蘊藏于沿江、沿淮、淮北北部丘陵及皖南山地北部的灰巖及白云巖中，強巖溶帶埋深100～250m；含水不均，一般為承壓水；單井涌水量一般為10～60m3/h。

碎屑巖類孔隙裂隙水分布于沿江、大別山北麓丘陵、皖南山地北部及江淮波狀平原，變質巖類裂隙水主要蘊藏于皖南及沿江及沿淮丘陵，地下水不發育，單井涌水量一般小于5m3/h。

皖南地區（主要是黃山市）松散巖類孔隙水含水巖組主要為中更新統和全新統。中更新統分布于二三級階地，下部為河床相不穩定砂礫層，中上部為粘性土。屯溪東北新安江畔局部地段單井涌水量30～50m3/h。全新統分布于屯溪盆地及青弋江、水陽江上游河谷一級階地，下部為河床相砂礫，上部為粘性土。單井涌水量5～30m3/h。本區地下水結垢性較強，工作區主要以結垢為主。

淮北平原深層地下水和皖南地區淺層地下水豐富，通過在淮北平原進行的有壓和無壓回灌試驗，灌采比均小于50%[5]，抽灌井比例需要一抽兩灌或一抽三灌，根據目前完成的項目，因為物理、化學和生物等因素，回灌井回灌能力逐年下降[6-7]，濾水管堵塞等現象[7-8]，有的項目甚至發生因回灌不力，將水直接排放到城市管網等，造成水資源浪費[9]。所以，考慮到地源熱泵系統長期使用，淮北平原不宜使用地下水換熱系統。皖南山區是我省地下水換熱系統最適宜的地方，也是新安江的源地，其淺層地下水直接排放到新安江，取熱井中水可直接排放至地表，目前運行良好的黃山市中醫院等項目即是例證。

圖2 安徽省地下水域分布

4 地埋管換熱系統適用地區

地埋管換熱系統是以200m以淺的巖土層作為低溫熱源，通過輸入少量的電能，實現熱量從巖土層向建筑供熱區域轉移，該換熱系統只提取熱量不取水，不對地下水造成破壞，也不存在對大氣排熱、排塵等污染[10]。

安徽地層跨華北、華南兩個地層大區，分屬三個地層區和五個地層分區。淮北地區各中心城市200m以淺主要為松散巖類（上第三系和第四系）地層，主要分布在阜陽、亳州及宿州市，上覆第四系厚大于100m，東北向漸薄，巖性以砂礫巖、砂巖、泥巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖為主，淮河以南呈零星分布，以正陽關組及安慶組為主，厚度一般小于50m。江淮之間地區各中心城市200m以淺多由半固結巖類地層（古今系及白堊系）組成，半固結巖類包括古近系及白堊系，主要分布在合肥、六安、滁州、宣城，以及黃山、淮南及馬鞍山市等局部地區，上覆松散巖類地層厚度多小于30m。固結巖類巖性是除松散巖類、半固結巖類地層外的其它各類巖石，主要分布于沿江、江南丘陵及平原地區的馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州、安慶、黃山市，以及淮北、蚌埠、淮南等城市的部分工作區。其上覆松散巖類地層厚度一般小于30m，30～150m深多為巖石，包括白堊紀以前的各地質時代的沉積巖，以及變質巖及巖漿巖。多為灰巖、砂巖及泥巖，變質巖主要分布于黃山市等工作區，巖漿巖主要分布于蚌埠市等工作區，以固結、堅硬及塊狀為主要特征[5]。

圖3 安徽省地層巖土分布

總之，安徽省除了自然水體外，都可以施工地埋管換熱系統，但因為各地區巖性和水文地質條件差異很大，地埋管換熱系統的換熱能力和施工造價區別比較大。淮北平原，主要包括亳州、阜陽、宿州、淮北、蚌埠和淮南市的淮河以北地區，地下為80～200m的松散巖類，地下水（孔隙水）豐富，施工難度小，造價低，換熱效果好，最適宜設計施工地埋管換熱系統；江淮波狀平原，主要包括合肥、六安以及蚌埠、淮南市的淮河以南地區，地下為半固結巖類，地下水貧乏，施工難度較大，造價低，換熱效果稍差[6]。皖西山地，包括岳西、霍山一帶，地下為巖石，施工難度大，造價較高，但換熱效果好；沿江丘陵平原，主要有滁州、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、池州及宣城，上部有0～30m的松散巖類，下部為固結巖，富含孔隙水及碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，施工難度大，造價較高，但換熱效果好[12]。

5 結語

安徽氣候特點決定了冬季有供暖需要，夏季有制冷需要；制冷、供暖時間總體各半，冷熱負荷差別較小，適宜施工地源熱泵系統。

安徽省地表水豐富，適宜施工地表水換熱系統，但設計時應考慮換熱水體在不同季節的深度和溫度、換熱量、取水點的設置等因素，同時不能對水體生態造成破壞。

安徽省淮北平原和皖南地區淺層地下水豐富，但淮北平原巖性以粉細砂為主，地下水回灌困難，不宜施工地下水換熱系統；皖南地區施工地下水換熱系統回灌容易，甚至可以不考慮回灌，所以是施工地下水換熱系統的最適宜地區。

安徽省境內都可以施工地埋管換熱系統，淮北平原200m以淺范圍內都是松散巖類，地下水豐富，投資小，換熱效果好，是我省施工地埋管換熱系統的最佳地區。