葉 芳，曹 彬，王維平

(1.山東省濰坊市水利局，山東 濰坊261031;2.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

地下水源熱泵是一種新型的空調(diào)方式，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注。該技術(shù)自2000年左右在濰坊市區(qū)開始推廣應(yīng)用，發(fā)展速度較快。從工程實(shí)踐來(lái)看，大部分地下水源熱泵項(xiàng)目運(yùn)行狀況良好，節(jié)能減排效果明顯。為了更好的實(shí)現(xiàn)城市的合理供暖，必須對(duì)市區(qū)進(jìn)行地下水源熱泵適宜性分區(qū)，確定適宜區(qū)范圍并計(jì)算出適宜區(qū)內(nèi)可利用地下水熱能儲(chǔ)量。在此基礎(chǔ)上，制定合理的城市供暖規(guī)劃，指導(dǎo)地下水源熱泵的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最終目標(biāo)。此外，在目前地下水源熱泵的使用過(guò)程中，由于技術(shù)上的不足和操作中的不規(guī)范，仍然存在少部分工程運(yùn)行效率低下并有可能誘發(fā)水文地質(zhì)問(wèn)題［1］。地下水源熱泵行業(yè)仍處于起步階段，管理基礎(chǔ)還比較薄弱，缺乏有效的監(jiān)督管理，還可能帶來(lái)地下水資源浪費(fèi)和破壞等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，必須采取有效措施來(lái)解決這些問(wèn)題，進(jìn)行地下水源熱泵適宜性分區(qū)和加強(qiáng)管理工作顯得尤為重要。

1 濰坊市區(qū)地下水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀

濰坊市區(qū)從2000年左右開始大力推廣地下水源熱泵技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展非常迅速。截至2010年底，市區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)建成或正在施工的地下水源熱泵服務(wù)建筑面積達(dá)100多 萬(wàn)m2，服務(wù)對(duì)象主要包括學(xué)校、醫(yī)院、大型寫字樓及住宅小區(qū)等。濰坊魯偉公司龍居園小區(qū)、濰坊市人民醫(yī)院、濰城區(qū)直機(jī)關(guān)宿舍等項(xiàng)目建筑面積均超過(guò)10萬(wàn) m2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在地下水源熱泵系統(tǒng)中約有30%為冬夏兩用熱泵系統(tǒng)。從工程實(shí)踐來(lái)看，大部分項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益顯著，節(jié)能減排效果明顯。鑒于當(dāng)前濰坊市政府政策上的大力扶植和專項(xiàng)資金補(bǔ)助，加上越來(lái)越多成功案例經(jīng)驗(yàn)的積累促成技術(shù)上的不斷完善，可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)幾年內(nèi)，濰坊市區(qū)地下水源熱泵工程仍將會(huì)保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2 濰坊市區(qū)地下水源熱泵適宜性分區(qū)

地下水源熱泵適宜性分區(qū)是進(jìn)行地下水源熱泵規(guī)劃工作的重要依據(jù)，對(duì)地下水源熱泵的建設(shè)和發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

表1 地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目列表

2.1 濰坊市區(qū)水文地質(zhì)狀況

濰坊市區(qū)處于魯中山區(qū)北部，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，不同構(gòu)造的地貌單元、不同地層巖性組合，使地下水的形成分布、賦存運(yùn)移和富水程度差異很大，地下水水化學(xué)特征比較復(fù)雜。市區(qū)南部分布著透水性微弱的第三系、白堊系火山巖、砂礫巖及前震旦紀(jì)的變質(zhì)巖系，富水性弱，從而減少了對(duì)山前沖洪積平原的地下水補(bǔ)給量。北部山前沖洪積平原含水層沉積厚度較大，富水性強(qiáng)。據(jù)此可將市區(qū)地下水含水巖組劃分為基巖裂隙水含水巖組和第四系孔隙水含水巖組。

(1)基巖裂隙水含水巖組:分布于市區(qū)南部丘陵區(qū)，主要指第三系玄武巖、白堊紀(jì)火山巖、砂礫巖和前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系的風(fēng)化裂隙水。該含水巖組風(fēng)化層厚度在20米左右，富水性較弱且季節(jié)性變化大，地下水水質(zhì)較好。

(2)第四系孔隙水含水巖組:廣泛分布在市區(qū)中部和北部，以更新統(tǒng)沖洪積層分布最廣。第四系地層厚度自北部的100多 m到中部為50 m，含水層厚度不均，一般為3～5 m，含水性較弱。更新統(tǒng)沖洪積層厚度一般為20～40 m，巖性自上到下分為5層，厚度和透水性見(jiàn)表2。

表2 更新統(tǒng)沖洪積層巖性特征

第四系孔隙水含水巖組地下水水質(zhì)良好，礦化度一般為0.5～ 1.0 g/L。

2.2 適宜區(qū)劃分

根據(jù)濰坊市區(qū)的水文地質(zhì)狀況，綜合考慮含水層類型、地下水資源量和含水層可回灌性等因素，確定按照以下原則對(duì)濰坊市區(qū)進(jìn)行地下水源熱泵適宜性分區(qū):①含水層為富水性較好的中、粗砂層或第三系玄武巖;②含水層單位降深涌水量不小于300 m3/(d/m);③含水層有效導(dǎo)水系數(shù)高，具有較好的可回灌性。根據(jù)上述原則進(jìn)行分區(qū)，得出濰坊市區(qū)的地下水源熱泵適宜區(qū)主要分布在奎文區(qū)和濰城區(qū)東部、寒亭區(qū)西部、坊子區(qū)西北部和高新技術(shù)開發(fā)區(qū)西部。濱海經(jīng)濟(jì)區(qū)地下水資源貧乏，含水層全部為粉砂和細(xì)砂，可回灌性差，不適宜建設(shè)地下水源熱泵工程。

3 地下水熱能儲(chǔ)量計(jì)算

根據(jù)適宜區(qū)劃分結(jié)果，可以對(duì)濰坊市區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)進(jìn)行熱儲(chǔ)量計(jì)算，從而分析濰坊市區(qū)地下水源熱泵的供能潛力。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)地下水熱能儲(chǔ)量計(jì)算可以采取“熱儲(chǔ)法”。

研究區(qū)地下水熱儲(chǔ)總量公式為:

式中:QR為研究區(qū)地下水熱儲(chǔ)總量(KJ);A為熱儲(chǔ)面積(km2);d為地下儲(chǔ)水層平均計(jì)算厚度;T為地下水平均溫度(℃);T0為基準(zhǔn)溫度(℃);C為熱儲(chǔ)巖石和地下水的平均比熱容(KJ/m3℃);

式中:ρα和ρβ分別是熱儲(chǔ)巖石和地下水的密度(kg/m3);Cα和Cβ分別是熱儲(chǔ)巖石和地下水的比熱(KJ/m3℃);φ是熱儲(chǔ)巖石的孔隙度。

參數(shù)確定:熱儲(chǔ)平均溫度取18℃;

基準(zhǔn)溫度可根據(jù)觀測(cè)資料和本地氣象資料，取全年平均溫度 12.3℃;

巖石密度和比熱分別取2 500 kg/m3和4 200 KJ/m3℃;

巖石孔隙率可取0.15。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)及含水層狀況可將濰坊市區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)分區(qū)。Ⅰ區(qū)位于適宜區(qū)的中部，即白浪河沖積扇的主體部位，砂層分布廣泛，第四系含水層富水性強(qiáng)。Ⅱ區(qū)位于Ⅰ區(qū)東側(cè)，以取用第三系玄武巖中的裂隙水及其底部松砂巖的孔隙水為主，區(qū)域內(nèi)富水性差異較大。Ⅲ區(qū)位于Ⅰ區(qū)西側(cè)，第四系砂層零星分布，第三系玄武巖厚度較大，區(qū)域內(nèi)富水性也有較大差異。

適宜區(qū)三個(gè)分區(qū)的面積、含水層計(jì)算厚度及熱儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 濰坊市區(qū)適宜區(qū)熱儲(chǔ)量計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出濰坊市區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)總面積為 186.846 km2，占總規(guī)劃用地面積 245.24 km2的76.1%，地下水熱能儲(chǔ)存量16.772×1013kJ，相當(dāng)于572萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤的總發(fā)熱量。若可利用量按10%，單位供熱耗煤量按20 kg/m2，地下水源熱泵系統(tǒng)COP按4.0計(jì)算，得出濰坊市區(qū)地下水源熱泵供熱潛力為冬季供暖面積約3 800萬(wàn)m2。

4 目前地下水源熱泵使用中存在的問(wèn)題

我國(guó)為規(guī)范地源熱泵行業(yè)頒布的新國(guó)標(biāo)GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》已于2006年1月1日開始施行。然而由于受到水文地質(zhì)條件以及技術(shù)水平的限制，目前相當(dāng)數(shù)量的地下水源熱泵工程難以完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。地下水源熱泵工程的使用中還存在很多問(wèn)題。

1)回灌措施難以落實(shí)。由于缺少有效的監(jiān)管措施和處罰制度，回灌與否和用戶經(jīng)濟(jì)利益沒(méi)有直接關(guān)系，因此很多用戶不重視回灌工作，造成回灌措施難以落實(shí)［3］。

2)回灌效率不高。目前大部分地下水源熱泵項(xiàng)目都是按照1:1的抽灌井?dāng)?shù)目進(jìn)行打井，導(dǎo)致實(shí)際的回灌量很難達(dá)到抽水量。在抽灌井?dāng)?shù)1:1的情況下，大多數(shù)項(xiàng)目的回灌量?jī)H為抽水量的20%～50%，在回灌條件較好的巖溶地區(qū)也不過(guò)60% ～80%，不能回灌到地下的水不得不從地表排放［4］。

3)存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。如果不能保證可靠的回灌，大量采用地下水源熱泵很可能會(huì)引發(fā)地面沉降等問(wèn)題，在沿海地區(qū)還可能造成海水入侵［5］。

4)地下水資源浪費(fèi)。由于回灌井難以將抽取的地下水全部回灌，部分地下水會(huì)從地表排入下水道，而且回灌井必須要回?fù)P，回?fù)P的水也通過(guò)下水道排走，從而造成了地下水資源的浪費(fèi)。

5)存在污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。目前地下水源熱泵的地下水回路都不是嚴(yán)格意義上的密封系統(tǒng)，回灌過(guò)程中的回?fù)P、水回路中產(chǎn)生的負(fù)壓和沉砂池，都會(huì)使外界的空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化。另外回灌水接觸到管網(wǎng)的鐵銹、設(shè)備的油污等也容易造成地下水的污染。

5 地下水源熱泵管理措施

在解決技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，管理部門還需要采取有效的管理措施，加強(qiáng)監(jiān)管力度，來(lái)保障地下水源熱泵行業(yè)的規(guī)范健康發(fā)展。根據(jù)濰坊市區(qū)的地下水源熱泵行業(yè)管理現(xiàn)狀，提出以下建議，希望能夠強(qiáng)化監(jiān)管，保證地下水源熱泵的順利推廣和發(fā)展。

1)嚴(yán)格控制審批程序。管理部門在地下水源熱泵項(xiàng)目審批過(guò)程中要嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)于處于地下水資源貧瘠區(qū)域或者地質(zhì)結(jié)構(gòu)不適宜區(qū)域以及設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目，堅(jiān)決不允許進(jìn)行施工。水利部門要加強(qiáng)地下水資源的管理與保護(hù)，以建設(shè)項(xiàng)目水資源論證為抓手，嚴(yán)格控制地下水源熱泵工程的取水許可審批。

2)征收水資源費(fèi)。對(duì)各地下水源熱泵工程實(shí)行一井一閥，安裝水表監(jiān)測(cè)其抽水量和回灌量，對(duì)于不能回灌到地下的水量，水利部門要征收水資源費(fèi)，以此來(lái)督促回灌，保護(hù)地下水資源。

3)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和相關(guān)動(dòng)態(tài)信息的監(jiān)測(cè)工作，實(shí)時(shí)掌握地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。

4)加強(qiáng)從業(yè)人員的培訓(xùn)工作。開展從業(yè)和管理人員培訓(xùn)，提高他們的業(yè)務(wù)水平，保證工程設(shè)計(jì)和施工的安全性。

［1］張群力，王晉.地源和地下水源熱泵的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用中的問(wèn)題分析［J］.流體機(jī)械，2003，31(5):26-28.

［2］楊愛(ài)，劉圣春.我國(guó)地源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望［J］.制冷與空調(diào)，2009，9(4):78-82.

［3］李高建，胡云葉，朱秀斌.地源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.制冷與空調(diào)，2007，21(4):34-37.

［4］李世君，劉文臣，辛寶東.北京地區(qū)地下水源熱泵利用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題［J］.城市地質(zhì)，2006，1(1):47-49.

［5］劉立才，王理許，丁躍元，王金生.水源熱泵抽灌井布局及其運(yùn)行過(guò)程中地下溫度變化［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(6):44-46.