1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)的能源形勢(shì)日趨緊張，國(guó)家提倡節(jié)能減排，并鼓勵(lì)可再生能源的使用。淺層地?zé)豳Y源是可再生能源的一種，是可以循環(huán)利用、清潔的能源。在能源短缺的今天，利用淺層地?zé)豳Y源必定會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)其進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用具有十分廣闊的前景。

地下水源熱泵是把地下水作為冷源或熱源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。目前地下水源熱泵在我國(guó)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是由于前期的研究不夠成熟，使得地下水源熱泵在應(yīng)用過(guò)程中，產(chǎn)生了一些不利于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的負(fù)面影響，需要得到及時(shí)的控制，在今后的新建工程中更應(yīng)該避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，從而使地下水源熱泵向健康、節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方向發(fā)展。

2 地下水源熱泵的基本原理

由于地層的隔熱和蓄熱作用，使得儲(chǔ)存于其中的地下水溫度受地表氣溫變化的影響較小，特別是較深地層中的水，其溫度常年不變。地下水源熱泵系統(tǒng)就是利用淺層地下水溫度較為穩(wěn)定的特性，以淺層地下水作為熱源或熱匯，通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到對(duì)建筑物供熱和制冷的目的。

夏季，地下水溫度較地表氣溫(或地表水溫)低，可以高效地帶走空調(diào)用戶(hù)側(cè)的熱量，熱泵系統(tǒng)所起的作用就是將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到地下水源中;而冬季，水源溫度較地表氣溫(或地表水溫)高，熱泵系統(tǒng)從水源中提取熱量，轉(zhuǎn)移到建筑物以達(dá)到供暖的目的。由此可見(jiàn)，地下水源熱泵系統(tǒng)就是一種通過(guò)消耗少量高品位能量，將地下水中不可直接利用的低品位能量提取出來(lái)，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。

3 地下水源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)比較

對(duì)于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)而言，低位能量來(lái)自于室外空氣，通過(guò)比較可以看出地下水源熱泵比空氣源熱泵有很大的優(yōu)勢(shì)：

表1地下水源熱泵與空氣源熱泵優(yōu)勢(shì)比較表

從表1中可以看出地下水源熱泵具有高效、節(jié)能、穩(wěn)定、環(huán)保、受氣候影響小的優(yōu)點(diǎn)，而這些是傳統(tǒng)空氣源熱泵不具備的。現(xiàn)階段我國(guó)地下水源熱泵無(wú)論在設(shè)計(jì)還是施工上都日漸成熟，發(fā)展也比較迅速，但還是存在一些問(wèn)題，所以在今后的工作中，我們對(duì)于已建項(xiàng)目出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)及時(shí)糾正;對(duì)于未建項(xiàng)目，盡量避免在建設(shè)及應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，從而使其向更好的方向發(fā)展?；诖?，本文對(duì)地下水源熱泵存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)分析，并提出了解決這些問(wèn)題的建議。

4 地下水源熱泵應(yīng)用中產(chǎn)生的問(wèn)題

4.1 水源對(duì)熱泵的影響

地下水的水量、水質(zhì)、水溫是影響水源熱泵效率的主要因素。如果進(jìn)入熱泵系統(tǒng)的水量不足，水溫不適，系統(tǒng)的效率將會(huì)受到影響;如果水質(zhì)不滿(mǎn)足要求，有可能會(huì)造成系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢、磨損，設(shè)備安裝時(shí)的殘留油垢以及熱泵與風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)泄漏的油污也會(huì)影響換熱器的換熱效果及緩蝕劑的使用效果，減少機(jī)組的壽命。

4.2 不合理的回灌設(shè)計(jì)造成“熱短路”

抽水井周?chē)叵滤疁囟鹊姆€(wěn)定對(duì)于維持地下水源熱泵的效率起著關(guān)鍵性作用，但是回灌過(guò)程中，回灌井附近地下水的溫度會(huì)出現(xiàn)變化，隨著時(shí)間的推移，這種溫度的變化會(huì)影響到抽水溫度，就有可能在熱泵運(yùn)行過(guò)程中造成地下“熱短路”。一般抽灌井的水溫溫差小于5℃時(shí)，地下水源熱泵的效能將大大降低，可以以此作為熱短路的依據(jù)。因此在進(jìn)行地下水源熱泵的設(shè)計(jì)時(shí)，要通過(guò)水文地質(zhì)試驗(yàn)合理設(shè)計(jì)井間距，將回灌井對(duì)抽灌井的溫度影響減小到最低的水平，避免熱短路的發(fā)生。

4.3 對(duì)地下熱平衡的破壞

人類(lèi)為了使室內(nèi)保持舒適的溫度，將建筑內(nèi)的冷/熱量轉(zhuǎn)移到了地下，如果規(guī)模較小、局部、短期的熱量轉(zhuǎn)移不會(huì)引起明顯的冷熱島問(wèn)題，但是如果規(guī)模較大，時(shí)間較長(zhǎng)，就有可能引起地下的冷熱島效應(yīng)。一般情況下，如果熱泵夏季輸入到地下的總熱量和冬季從地下提取的總熱量保持平衡，那么從長(zhǎng)期看地下的熱量收支仍然是平衡的，只產(chǎn)生季節(jié)性的冷熱島現(xiàn)象，但是在很多地區(qū)，建筑物的夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷需求并不平衡，這樣會(huì)形成長(zhǎng)期的冷熱島，不但降低熱泵的效率，而且長(zhǎng)期下去會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境不利，有可能造成地下的冷熱污染，引起生態(tài)平衡問(wèn)題。

4.4 對(duì)地下水質(zhì)的影響

某些水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)，地下水源熱泵需要同時(shí)利用多個(gè)含水層才能達(dá)到設(shè)計(jì)的取水和回灌要求，目前我國(guó)某些地區(qū)的地下水已遭受不同程度的污染，水質(zhì)相對(duì)較差。若系統(tǒng)建在污染較重、水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)，這種多層混合開(kāi)采和回灌的方式，容易加速含水層間的相互污染，并且利用稀鹽酸或稀硫酸進(jìn)行洗井的過(guò)程也會(huì)使含水層水質(zhì)惡化。地下水水質(zhì)惡化有一部分原因還來(lái)自于地下水的氧化，熱泵系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中有可能會(huì)使外界的空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化，地下水氧化會(huì)使地下水的化學(xué)成分發(fā)生變化，從而對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。

4.5 地面沉降

淺層地下水通常儲(chǔ)存在由松散的、未固結(jié)或弱固結(jié)的第四紀(jì)沉積物組成的含水層中，地下水源熱泵往往開(kāi)采的是夾在粘性土層之間的砂層中的地下水，砂層內(nèi)部也會(huì)夾有粘性土。而粘性土層壓縮性大，地下水位下降時(shí)易發(fā)生壓縮形變，如果開(kāi)采區(qū)粘性土層厚度較大，并且不及時(shí)回灌，就有可能會(huì)產(chǎn)生巖土體變形，導(dǎo)致不均勻的地面沉降。不過(guò)，一般情況下獨(dú)立的地下水源熱泵不會(huì)誘發(fā)顯著的地面沉降，但當(dāng)?shù)叵滤礋岜妹芗植紩r(shí)，如果形成聯(lián)合漏斗，有可能會(huì)增加地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

4.6 地下水溫?cái)?shù)據(jù)缺乏

一直以來(lái)，我國(guó)對(duì)地下水位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)較為重視，各地區(qū)都有連續(xù)、長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，但是對(duì)地下水溫?cái)?shù)據(jù)則沒(méi)有引起足夠的重視，通過(guò)走訪(fǎng)有關(guān)部門(mén)，發(fā)現(xiàn)有關(guān)地下水水溫的數(shù)據(jù)較為缺乏，并且在數(shù)據(jù)的共享性和權(quán)威性上，也都難以滿(mǎn)足要求，從而給地下水源熱泵的研究工作帶來(lái)一定的困難，并且在進(jìn)行熱泵設(shè)計(jì)時(shí)，由于取水點(diǎn)溫度的變化情況難以確定，給設(shè)計(jì)也帶來(lái)一定的影響。

4.7 不適宜地區(qū)建立地下水源熱泵問(wèn)題

通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有關(guān)熱泵適宜性評(píng)價(jià)方面的文章很少，并且國(guó)家也沒(méi)有進(jìn)行全國(guó)性的地下水源熱泵的適宜性分析和區(qū)域規(guī)劃，致使某些地區(qū)在不適宜地區(qū)盲目的建立地下水源熱泵系統(tǒng)，出現(xiàn)了較多的問(wèn)題;由于對(duì)熱泵建設(shè)場(chǎng)地勘察力度不夠所造成系統(tǒng)性能下降，回灌困難等問(wèn)題也比較突出。例如：在銀川地區(qū)，由于對(duì)地下水文地質(zhì)的研究處于較低的層面，采用熱泵系統(tǒng)時(shí)僅參照工程的經(jīng)驗(yàn)值，抽取的地下水回灌困難，無(wú)法回灌的地下水就直接排放到地表，造成了極大的資源浪費(fèi)。我國(guó)北京地區(qū)，地下水源熱泵工程分布較密集，有可能會(huì)使兩熱泵系統(tǒng)的地下部分相互影響，導(dǎo)致地下水成為不穩(wěn)定的熱源，熱泵效率降低。

4.8 缺乏對(duì)地下水源熱泵的監(jiān)管

國(guó)際能源組織、國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)等行業(yè)組織為地下水源熱泵的推廣提供了技術(shù)上的支持，但實(shí)際上各國(guó)法規(guī)對(duì)地下水源熱泵的應(yīng)用都有一定的約束。由于地下水源熱泵需要大量抽取地下水，歐美許多國(guó)家一般不鼓勵(lì)使用開(kāi)式回路系統(tǒng)，鑒于監(jiān)測(cè)管理地下工程的難度較大，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在應(yīng)用地下水源熱泵上表現(xiàn)的也相當(dāng)謹(jǐn)慎，比如禁止在地下水的水源地保護(hù)區(qū)使用地下水源熱泵，要求熱泵循環(huán)水同層回灌等。我國(guó)在應(yīng)用地下水源熱泵的過(guò)程中雖有一定限制，但還有不完善之處，比如：由于監(jiān)管不嚴(yán)造成抽灌不平衡問(wèn)題;對(duì)于已建項(xiàng)目，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)進(jìn)行地下監(jiān)測(cè)的必要性和強(qiáng)制性等。我國(guó)在管理上也存在一定的漏洞，比如：對(duì)于從事地源熱泵系統(tǒng)承包、設(shè)計(jì)、施工的單位沒(méi)有建立資質(zhì)審核制度，對(duì)于地下部分的勘測(cè)、熱泵的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而造成了工程質(zhì)量不過(guò)關(guān)和資源的浪費(fèi)。

5 對(duì)策

5.1 加強(qiáng)前期水文地質(zhì)勘察工作保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性

建設(shè)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件是進(jìn)行地下水源熱泵設(shè)計(jì)的依據(jù)，在決定某地區(qū)是否采用地下水作為熱泵的冷熱源之前，首先應(yīng)盡可能全面的收集區(qū)域水文地質(zhì)資料，掌握周?chē)呀ǖ叵滤礋岜玫姆植记闆r，然后進(jìn)行嚴(yán)密的現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，看是否具備足夠的地下水水量、水溫是否適宜;其次還需了解該處的地下水質(zhì)情況，以獲得較準(zhǔn)確詳盡的規(guī)劃方案?？辈靸?nèi)容不僅包括水文地質(zhì)和工程地質(zhì)參數(shù)，還包括巖土體熱物理性質(zhì)等，從而保證熱泵設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，避免了因設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，如熱短路、熱平衡問(wèn)題。

5.2 降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響

最初有些學(xué)者大力宣傳地下水源熱泵能夠降低空氣污染的優(yōu)勢(shì)，但忽視了其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，隨著這一技術(shù)的推廣，有些問(wèn)題也顯露出來(lái)，需要得到及時(shí)的解決：

1)地下熱平衡的破壞。建立傳熱模型，并進(jìn)行模擬，合理確定開(kāi)采量，或采用輔助裝置，預(yù)防冷熱島效應(yīng)。如：北方地區(qū)，冬季可輔以鍋爐或太陽(yáng)能加熱;南方地區(qū)，夏季可利用冷卻塔、建筑附近的景觀(guān)噴泉或地表水來(lái)輔助散熱。

2)地下水質(zhì)的破壞。首先要嚴(yán)格控制人工回灌水質(zhì)，雖然目前國(guó)家還沒(méi)有出臺(tái)完善的回灌水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求回灌水水質(zhì)等于甚至高于原地下水水質(zhì)，盡量同層回灌，避免回灌后各個(gè)含水層相互貫通而引起水質(zhì)污染;其次在洗井的時(shí)候盡量采用物理的方法，以避免地下水化學(xué)成分的變化;再次要采用井口換熱器，將熱交換后的地下水直接進(jìn)行回灌以減少地下水與空氣接觸的機(jī)會(huì)，防止因地下水氧化而產(chǎn)生的水質(zhì)惡化。

3)巖土體變形及地面不均勻沉降。地下水源熱泵在應(yīng)用過(guò)程中必須做到及時(shí)回灌，在水井選址時(shí)，盡量避開(kāi)那些粘性土層十分發(fā)育的地區(qū)。并且要充分考慮熱泵系統(tǒng)之間的空間布局，盡量使其分散以免產(chǎn)生聯(lián)合漏斗。

5.3 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作、進(jìn)行適宜性分區(qū)

針對(duì)目前我國(guó)水溫?cái)?shù)據(jù)缺乏的狀況，建議國(guó)家對(duì)我國(guó)需要建立地下水源熱泵地區(qū)的地下水進(jìn)行不同深度、長(zhǎng)期、連續(xù)的水溫監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。對(duì)于已建熱泵的地區(qū)，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，一方面保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，另一方面及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境隱患。國(guó)家還應(yīng)盡快進(jìn)行全國(guó)性的適宜性分區(qū)和區(qū)域規(guī)劃，并連同監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)一起建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，從而為地下水熱泵的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

5.4 制定相關(guān)政策及法規(guī)、加強(qiáng)監(jiān)管

建議國(guó)家頒布針對(duì)該行業(yè)管理的法律、法規(guī)，盡快實(shí)行市場(chǎng)準(zhǔn)入制度或生產(chǎn)許可證管理制度，對(duì)從業(yè)企業(yè)進(jìn)行有效的約束和管理，防止熱泵相關(guān)設(shè)備的無(wú)序生產(chǎn)。對(duì)設(shè)計(jì)、施工單位建立資質(zhì)審核制度，并制定相應(yīng)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使熱泵市場(chǎng)向健康有序的方向發(fā)展;加強(qiáng)對(duì)地下水源熱泵項(xiàng)目的監(jiān)管，比如：在項(xiàng)目實(shí)施之前要提交水資源論證報(bào)告，并需要經(jīng)過(guò)水務(wù)部門(mén)批準(zhǔn)，項(xiàng)目建成后，有關(guān)部門(mén)必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控以保證地下水全部回灌。

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