227 地下水源熱泵在江西地區(qū)的工程應(yīng)用研究

地下水源熱泵在江西地區(qū)的工程應(yīng)用研究華東交通大學(xué)羅新梅收稿日期：2010-01-13基金項目：收稿日期：2010-01-13基金項目：作者簡介：羅新梅(1967—)，男，碩士，副教授，研究方向為空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)節(jié)能。摘要：結(jié)合大量實際工程經(jīng)驗，探討了地下水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀及實際中存在的問題。分別從建筑規(guī)劃面積、水文地質(zhì)條件和成井工藝等方面，對導(dǎo)致回灌困難的原因進行了全面的分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。強調(diào)為避免出現(xiàn)地面沉降和地下水質(zhì)污染等問題必須做好水文地質(zhì)勘探、控制成井質(zhì)量、采用適宜的回灌方法等，并對管理部門今后的工作提出了一些建議。以保證地下水資源的合理利用，促進地下水源熱泵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。關(guān)鍵詞：地下水源熱泵；成井；回灌地源熱泵是一種利用地?zé)豳Y源來供熱、制冷的高效節(jié)能冷熱源型式。地下水源熱泵是其中的一種方式，與地下埋管的“閉式”地源熱泵相比，由于其造價低、容量大、水溫度穩(wěn)定，所以在工程中應(yīng)用較為廣泛。20世紀90年代中后期，地下水源熱泵的應(yīng)用開始在國內(nèi)推廣，當時工作的重點是熱泵設(shè)備的研發(fā)和推廣，由于造價低、制冷制熱效果較好，得到了用戶的認可，政府部門也積極參與這項技術(shù)的推廣。但另一方面，由于地下水回灌問題沒有得到根本解決，以致在工程應(yīng)用方面和地質(zhì)環(huán)境方面的問題比較突出。這些問題能否得到相應(yīng)的解決，直接影響了該技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和人類的生活環(huán)境。地下水是一種優(yōu)質(zhì)的淡水資源，是國家的一種戰(zhàn)略物資。大規(guī)模使用地下水，而不能得到良好的回灌，一旦出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，是難以補救的。為了合理利用地下水資源、促進地下水源熱泵的可持續(xù)發(fā)展，本文將結(jié)合與之相關(guān)的實際施工技術(shù)，詳細介紹了江西地區(qū)地下水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題、相關(guān)解決措施。1應(yīng)用現(xiàn)狀1）國家倡導(dǎo)，廠家、公司、設(shè)計人員大力推廣近來，國內(nèi)地下水源熱泵發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用也已經(jīng)達到了一定規(guī)模。一些廠家、研究機構(gòu)甚至政府機構(gòu)都積極倡導(dǎo)這項技術(shù)，并稱之為綠色能源技術(shù)。應(yīng)用地下水源熱泵技術(shù)，地下水經(jīng)熱交換后必須回灌，即將被水源熱泵機組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中去。許多地下水源熱泵項目都聲稱解決了回灌問題，但對回灌質(zhì)量如何往往避而不談。事實上，由于成井質(zhì)量、回灌技術(shù)等原因，很難保證達到100%回灌，有些回灌困難的工程所在地甚至已經(jīng)了出現(xiàn)較為嚴重的地面沉降[1]。江西地區(qū)的地下水資源比較豐富，但如果沒有根本解決回灌問題而長期使用這項技術(shù)，仍可能導(dǎo)致地下水資源的破壞。2）出現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用空白區(qū)地下水源熱泵技術(shù)是一個跨學(xué)科、跨專業(yè)的可再生能源利用技術(shù)，涉及暖通空調(diào)技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)等多專業(yè)、多工種的知識。目前存在的問題是各專業(yè)間缺乏有效整合和溝通。多數(shù)暖通技術(shù)人員對水源井并不了解，在暖通設(shè)計時也沒有對水源井進行相關(guān)設(shè)計，而鉆井技術(shù)人員對暖通專業(yè)用水井的要求比較模糊，僅憑以往經(jīng)驗，即按照一般的生活或工業(yè)用水井的標準進行施工，但實際上這很難達到暖通專業(yè)的使用要求。另外，由于沒有相應(yīng)的施工圖紙，使得工程監(jiān)理和甲方無法對成井施工進行監(jiān)察。因此在工程初期就很難保證工程質(zhì)量達到相關(guān)施工規(guī)范的要求。3）取水有認證，抽灌無管理、無監(jiān)督在決定采用地下水源熱泵系統(tǒng)之前，需做詳細的水文地質(zhì)勘探，獲取地下水溫度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)，合理地配置整個系統(tǒng)。多數(shù)建設(shè)單位會根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)進行取水認證，但是由于地下系統(tǒng)施工后基本不可見，系統(tǒng)在設(shè)計上沒有考慮回灌的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，而管理部門職責(zé)不甚明確，故無法監(jiān)督地下水源熱泵系統(tǒng)是否依據(jù)相應(yīng)規(guī)范進行抽灌，更無法進行長期的監(jiān)測工作。由于缺乏后期的監(jiān)督管理，許多工程不管能不能達到回灌要求都盲目、無節(jié)制地運用這一技術(shù)。這與地下水源熱泵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展理念背道而馳。這項技術(shù)的應(yīng)用是一柄雙刃劍，我們要盡量避免其危害到子孫后代的利益。4）技術(shù)應(yīng)用無細則熱泵設(shè)備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，對于地源熱泵系統(tǒng)的工程施工國家標也有相關(guān)的規(guī)范，但由于不同地區(qū)的地質(zhì)情況各不相同，施工工藝水平也存在很大差異，需要針對本地區(qū)的具體特點對應(yīng)用該項技術(shù)的實際施工方面進行深入的研究，并制定相應(yīng)施工細則。江西地區(qū)在這方面的研究仍非常薄弱，亟需建立相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用細則，引導(dǎo)該技術(shù)的在江西的正確應(yīng)用。2回灌問題地下水回灌困難是影響地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用主要因素。一方面由于達不到回灌要求，可能導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境問題；另一方面由于回灌困難，有些用戶為了保證空調(diào)系統(tǒng)的運行就不得不把地下水排入城市雨水管網(wǎng)，可能增大城市污水處理負擔(dān)?；毓嗬щy就成了地下水源熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用關(guān)注的焦點。2.1回灌原則回灌方式有無壓、負壓和加壓回灌三種。對于抽灌兩用井，為防止井間互相干擾，應(yīng)控制合理井間距?；毓嗔看笮∨c水文地質(zhì)條件、成井工藝、回灌方法等因素有關(guān)，回灌要求應(yīng)達到相應(yīng)的國家規(guī)范的要求：1）回灌水質(zhì)要等于或優(yōu)于水源水質(zhì)；2）應(yīng)在封閉系統(tǒng)中輸送地下水，與其接觸的部件應(yīng)采用耐腐蝕材料，取水、回灌水管路應(yīng)裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；3）定期對地下水進行化驗，并將化驗結(jié)果報送有關(guān)部門備案，發(fā)現(xiàn)地下水質(zhì)異常，特別是水中出現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)含量升高或其他無關(guān)物質(zhì)時，應(yīng)及時采取措施。2.2回灌困難的原因1）建筑規(guī)劃面積制約，抽灌比不合理當?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)所需的用水量較大時，由于單井抽水量有限，抽水井數(shù)應(yīng)該相應(yīng)增多；如果工程所在地的地質(zhì)條件所需抽灌比較小，則需一定量的回灌井數(shù)才能滿足系統(tǒng)所需回灌量。由于井數(shù)較多，兩井間又要保證適宜間距，故所需占地面積較大。實際工程建筑規(guī)劃面積是有限的，因此，許多工程以減少回灌井數(shù)來保證井距。這樣，就使回灌困難成為了一個必然因素。2）水文地質(zhì)條件不利于回灌理論上講，地下水回灌量可達100%，但由于不同地區(qū)地質(zhì)條件各異，這實際上是達不到的。在含水層砂粒較細時，井極易被堵，回灌量大幅降低；砂粒較粗的含水層，由于孔隙較大，回灌相對較易。含水層越淺，越不易于回灌，反之亦然。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，在不同地下含水層情況下，典型的抽灌比、井的布置和單井出水量情況如表1所示。表1不同條件下的地下水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)含水層情況抽灌比（%）井的布置流量（t/h）礫石>80一抽一灌200中粗砂50~70一抽兩灌100細砂30~50一抽三灌50由于水源井的水文地質(zhì)中許多因素[2]均會引起水源井的堵塞，實際上水源井的堵塞是不可避免的，隨著系統(tǒng)使用時間的增長，抽水井或回灌井能力都會下降，從而不能滿足地下水源熱泵運轉(zhuǎn)的需要。因此需采用相應(yīng)的物理和化學(xué)處理方法處理水源井的堵塞，如表2所示。表2堵塞機理及處理方法堵塞種類成因處理方法懸浮物堵塞渾濁物被帶入含水層，堵塞砂層孔隙回揚，控制水源水質(zhì)標準（加裝過濾器）氣泡堵塞空氣被帶入含水層或地下水地下輸送過程中脫氣而被帶入回灌井中的含水回揚化學(xué)沉淀堵塞水與空氣中的陰、陽離子相接觸產(chǎn)生化合物沉淀，堵塞濾網(wǎng)和砂層空隙回揚，酸化(HCl)處理，水質(zhì)監(jiān)測微生物生長堵塞鐵細菌、硫磺還原菌等的大量繁殖回揚，加適量殺菌劑一般來說，可采取回揚方式來防止井的老化，維持地下水的回灌。所謂回揚，即在抽水井和回灌井中均安裝潛水泵，并定期交換抽水井和回灌井?；負P次數(shù)和回揚持續(xù)時間主要由含水層顆粒大小和滲透性而定，其次還要考慮水質(zhì)、回灌量和回灌方式等。只有適當?shù)幕負P次數(shù)和時間，才能獲得好的回灌效果。對于輕度堵塞，可直接用連續(xù)回揚的方法處理，直到井單位開采量和動力水位恢復(fù)，方可繼續(xù)進行回灌。對于嚴重堵塞，可用回揚與間歇停泵反沖的處理方法，或用回揚與壓力灌水相結(jié)合的處理方法?；負P對于細顆粒含水層尤為重要。實驗證實，在幾次回灌之間進行回揚能恢復(fù)回灌水位，并保證回灌井正常工作。但是，回揚是非常專業(yè)化的工作，增大了用戶的維護工作量，而且對井的損害也很大，會降低系統(tǒng)壽命[3]。3）成井工藝不規(guī)范、保護不嚴格在成井的施工過程中，由于施工人員不了解地下水源熱泵系統(tǒng)知識及相應(yīng)規(guī)范，在井內(nèi)采用未加防蝕的鐵制構(gòu)件，加速了水源井的堵塞；隨意偷工減料，井壁厚度不符合規(guī)范要求，井徑不能滿足水流速要求；在選擇填礫過濾器濾料的規(guī)格時，沒有根據(jù)鑿井中取樣篩分后的地層顆粒組份，按照《供水管井技術(shù)規(guī)范》的要求來選擇。4）井室管道設(shè)計不合理地下水源熱泵技術(shù)涉及暖通空調(diào)技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)等多專業(yè)、多工種的知識。如前所述，暖通技術(shù)人員未做井室管道進行設(shè)計，由于考慮工程施工承包的方便，一些工程的水源井及井室均由鉆井施工人員來完成施工，但他們對井室管道施工要求可能不甚了解，只能憑著經(jīng)驗進行施工，這樣很難達不到國家規(guī)范的施工工藝要求。3解決措施1）做好水文地質(zhì)勘探，合理設(shè)計遵循自然規(guī)律，做到合理利用、開發(fā)地下水資源。重視地下水資源豐富的現(xiàn)狀，加大水文地質(zhì)的勘查、評價與研究力度，根據(jù)當?shù)厮牡刭|(zhì)條件，合理規(guī)劃地下水的開采布局，確定與之適宜的回灌和回揚方法。在設(shè)計地下水源熱泵系統(tǒng)之前，需經(jīng)水文地質(zhì)勘探確定以下數(shù)據(jù)：a）確定單井抽水量。由地勘部門通過地質(zhì)勘探確定單井抽水量，根據(jù)使用溫差計算出最大用水量，進而確定抽水井數(shù)；b）單井回灌量及抽灌比。由地勘部門通過地質(zhì)勘探確定單井回灌量，根據(jù)用水量和抽灌比即可確定回灌井數(shù)；c）水溫，由于水溫不同，同樣的機組提供的冷量和熱量也不同，可作為機房設(shè)計依據(jù)；d）動水位深度，地下水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性與地下水的動水位深度有很大的關(guān)系。根據(jù)這個深度以及室外管網(wǎng)的水力計算，可確定潛水泵揚程（水泵揚程=井內(nèi)動水水位到機房地面高度+管道阻力+設(shè)備阻力），如地下水位較低，不僅成井的費用增加，水泵運行能耗也將大大降低系統(tǒng)的效率，使得節(jié)能效果大打折扣[4]；e）井水水質(zhì)，確定是否直接利用地下水[5]，為機房設(shè)計提供依據(jù)，如表3所示。表3根據(jù)礦化度確定是地下水利用方式礦化度地下水利用方式<350mg/L直接連接350~500mg/L不銹鋼板式換熱器>500mg/L抗腐蝕性強的鈦合金板式換熱器或容積式換熱器注：單位容積水中所含各種離子、分子、化合物的總量稱為礦化度。2）嚴格按規(guī)范進行水源井施工設(shè)計、施工人員應(yīng)嚴格按照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范GB50027》、《供水管井技術(shù)規(guī)范GB50296》、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366》進行設(shè)計施工。全面提高暖通技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)和鉆井技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)，使其配合密切。建議成井單位配合暖通設(shè)計師完成熱源井設(shè)計，由水利管理部門監(jiān)督成水源井的施工。3）加強相關(guān)部門管理、研究力度由于地下水源熱泵系統(tǒng)存在回灌困難的客觀事實，可能會對下水資源造成破壞，這應(yīng)引起相關(guān)主管部門的足夠重視，加強對地下水源熱泵系統(tǒng)的抽灌監(jiān)察，并形成有效的管理機制。建議江西地區(qū)的高校、設(shè)計院和地勘部門聯(lián)合起來，對本地已建地源熱泵系統(tǒng)進行跟蹤研究，盡快制定江西地區(qū)的地下水源熱泵設(shè)計、施工和運行實施細則，引導(dǎo)這項技術(shù)朝著可持續(xù)方向發(fā)展。4結(jié)束語本文針對地下水源熱泵在實際工程的應(yīng)用中存在的問題，如受水文地質(zhì)條件的制約，監(jiān)督管理匱乏，井的老化和回灌困難等，提出了相應(yīng)的解決措施。1）針對各地區(qū)的不同地質(zhì)情況，做好水文地質(zhì)勘探，合理開發(fā)利用地下水資源；2）控制成井質(zhì)量，因地制宜地采取適宜的回灌和回揚方法，保證抽灌比，減少因回灌問題造成的地下水位下降、地質(zhì)沉降等地質(zhì)破壞；3）加強管理部門的監(jiān)督力度，從工程設(shè)計到成井施工再到對地下水的抽灌全過程進行監(jiān)督檢查，使地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用更規(guī)范、更可靠。相信在各相關(guān)部門齊心協(xié)力，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，正確引導(dǎo)技術(shù)的工程應(yīng)用，地下水源熱泵這一技術(shù)將會朝著節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)、與環(huán)境和諧的方向發(fā)展！參考文獻[1]曲云霞，張林華，崔永章．地源熱泵及其應(yīng)用分析[J]．可再生能源，2002(4):7-10．[2]鄔小波．地下含水層儲能和地下水源熱泵系統(tǒng)中地下水回路與回灌技術(shù)現(xiàn)狀[J]．暖通空調(diào)，2004，34(1):19-22．[3]陳在康，丁力行編著．空調(diào)過程設(shè)計與建筑節(jié)能[M]．北京:中國電力出版社，2004．[4]KARENDENBRAVEN.SurveyofgeothermalheatpumpregulationsintheUnitedStates[J].In:TheProceedingsoftheSecondStocktonInternationalGeothermalConference,Pomoma,Newjersey,[5]曲云霞，張林華，方肇洪，李安桂．地下水源熱泵及其設(shè)計方法[J]．可再生能源，2002(6):11-14．ResearchandAnalysisofGroundwaterHeatPumpsConstructionLuoXinMeiJiangDanFeng（EastChinaJiaoTongUniversityCollegeofCivilConstruction，JiangXi330013China）Abstract：Theapplicationandtopicalissuesinconstructionofgroundwaterheatpumpsispresentedwithplentyofactualprojectsexperience.Thecausethatinducetothedifficultiesofinjectionisanalyzedfromplanningconstructionarea,hydrogeologicalconditionandwellc