田良河,劉新號,閆震鵬,焦紅軍,楊 坡,譚菊萍

(河南省地質(zhì)調(diào)查院, 鄭州 450001)

0 引言

上個世紀(jì)70年代以來,能源和環(huán)境危機(jī)日趨嚴(yán)重.人們開始尋求傳統(tǒng)能源之外的清潔、可再生的替代能源.正是在這種情況下,以清潔、可再生的淺層地?zé)崮転槟茉吹牡卦礋岜靡鹆巳藗兊年P(guān)注.地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù),它高效、節(jié)能、環(huán)保,有利于可持續(xù)發(fā)展.正是熱泵技術(shù)使淺層地?zé)豳Y源得到有效利用.而地源熱泵應(yīng)用也日益廣泛,并且受到各級政府的重視.

地源熱泵系統(tǒng)包括地下水地源熱泵系統(tǒng)與地埋管地源熱泵系統(tǒng).鄭州市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用多采用地下水源熱泵,土壤源熱泵利用才剛起步.淺層地?zé)崮苤饕獞?yīng)用于包括賓館、住宅、商場、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、別墅、廠房等建筑節(jié)能方面.

近年來,鄭州市地下水源熱泵應(yīng)用發(fā)展迅速,在開發(fā)利用中也存在很多問題.如,不能完全回灌造成水資源浪費,井間距過小或抽回水量過大,造成運行期間地下水水溫急劇升高(夏季)或降低(冬季),影響熱泵系統(tǒng)運行效果,此外,地溫空調(diào)運行對環(huán)境的影響問題也有待研究.

1 地溫空調(diào)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 地溫空調(diào)井基本情況

近年來,鄭州市地下水源熱泵技術(shù)發(fā)展迅速,現(xiàn)有淺層地?zé)崮苤醒肟照{(diào)用戶百余家,抽回灌井200余眼,井深一般100～150m左右.個別小于80m或大于150m,市區(qū)東部和東北部井深較淺,市區(qū)西部和地下水降落漏斗區(qū)井深稍深.孔徑一般500～600mm,井徑一般300mm左右.單井出水量一般20～70m3/h,最大達(dá)100m3/h.

鄭州市地溫空調(diào)井因所處地貌位置不同,井深和開采層位有所不同.京廣線以東為黃河沖積平原,井深一般較淺,開采層位一般為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)砂層,含水層巖性為中細(xì)砂、細(xì)砂等,厚度20～40m,埋深一般在100m以上,由于這里水位埋藏較淺,故抽水水量較大,而回灌效果不佳.市中心附近,地下水埋藏較深,開采層位可達(dá)中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)砂層中.市區(qū)西部為塬前沖洪積傾斜平原區(qū),井深一般稍深,開采層位主要為上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)砂層,含水層巖性為細(xì)砂、中細(xì)砂、砂礫石,厚度25～50m,砂及砂礫石層局部鈣質(zhì)膠結(jié)成砂巖,影響空調(diào)井的出水量和回灌量.

一般一組空調(diào)井需一眼抽水井和兩眼回灌井.抽水井和回灌井間距一般20～30m,部分小于15m或大于30m.

1.2 地溫空調(diào)系統(tǒng)運行效果

一般制冷期為5月底至9月底,供暖期為11月上旬至次年3月上旬.供熱期間,井水進(jìn)主機(jī)溫度一般15～19℃,出主機(jī)溫度一般45～55℃,回灌水溫度8～15℃.室外環(huán)境溫度-5～0℃時,室內(nèi)環(huán)境溫度可達(dá)到20℃左右;制冷期間,井水進(jìn)主機(jī)溫度一般16～20℃,出主機(jī)溫度一般8～12℃,回灌水溫度19～27℃.室外環(huán)境溫度33～37℃時,室內(nèi)環(huán)境溫度可達(dá)到21℃左右.

2 水文地質(zhì)特征

2.1 儲水介質(zhì)特征及富水性

鄭州市200m以淺松散地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)沖積(局部為沖洪積的粉質(zhì)粘土、粉土夾砂層;京廣鐵路以西,90～120m以下為下更新統(tǒng)或新近系粘土與砂互層.頂板埋深由西部的20～40m至東部的10m左右;底板埋深:西部以新近系湖沖(洪)積中厚層含礫中、粗砂為底界,埋深120～140m,其中含水層厚度40～60m;東部以中更新世中部黃河沖積厚層中、細(xì)砂為界,埋深160m左右,其中含水層厚度50～110m(圖1).

含水層富水性可劃分為三個區(qū):強(qiáng)富水區(qū)分布于東北部沿黃一帶,含水層以粗砂為主,夾中砂或細(xì)砂,頂板埋深4～23m,降深5m單井涌水量3000～5000m3/d,局部大于5000m3/d.水位埋深一般5～10m;富水區(qū)分布于整個平原區(qū),含水層巖性由中砂、粗砂、細(xì)砂及少量砂礫石組成,單井涌水量1000～3000m3/d,個別大于3000m3/d.水位埋深由東部的小于5m向西部逐漸增加為大于20m;弱富水區(qū)分布于袁河、郭小寨、西胡垌一帶,含水層巖性為中細(xì)砂,局部夾有粉砂,單井出水量19.8m3/h,水位埋深大于50m(圖2).

2.2 地下水循環(huán)特征

垂向上接受降水入滲、地表水滲漏補(bǔ)給,通過開采排泄.于開采量大于垂向補(bǔ)給量,在市區(qū)范圍內(nèi)形成了水位降落漏斗(最大水位埋深80.4m);水平上主要為來自北部黃河河道帶和西部的側(cè)向徑流補(bǔ)給.

2.3 含水層回灌能力

含水層的回灌能力是影響地下水源熱泵適宜性的主要條件之一.地下水回灌量的大小受成井結(jié)構(gòu)與質(zhì)量、水文地質(zhì)條件等多種因素影響,回灌能力與含水層顆粒大小、富水性、水位埋深等有密切關(guān)系.根據(jù)已完成的"河南省重點城市淺層地?zé)崮茉u價與開發(fā)利用研究"成果,按單井回灌量進(jìn)行將鄭州市200m以淺含水層回灌能力分為4個區(qū)(圖2).總體來看,回灌能力由沿黃一帶沖積平原區(qū)的1500～3000m3/h向西南丘陵區(qū)逐漸減弱至小于500m3/h.

綜合含水層富水性與回灌能力,鄭州市除西南部丘陵區(qū)外,其他地段均適宜或較適宜地下水源熱泵應(yīng)用.

2.4 水化學(xué)類型與化學(xué)組分特征

鄭州市區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為HCO3型,自西南丘陵區(qū)向北、東北、東南方向,大致分為HCO3-Ca、HCO3-Ca.Mg和HCO3-Na.Ca(Mg)型三個區(qū),反映出了水化學(xué)類型由丘陵區(qū)逐漸向平原區(qū)過渡的分布規(guī)律.

地下水中影響熱泵系統(tǒng)運行效果和使用壽命的主要化學(xué)組分特征值見表1.

表1 鄭州市地下水化學(xué)組分特征值表

3 淺層地溫場特征

根據(jù)鄭州市潛水位以下2m深處水溫觀測結(jié)果,市區(qū)一帶地下水埋深較大、溫度稍高,一般18～20℃,局部大于20℃;向外圍逐漸降低至16～18℃.鄭州市西郊地下水埋藏較深,含水層顆粒較細(xì),局部呈膠結(jié)狀,導(dǎo)水性較差,地下水水溫較高,200m深水井的地下水溫可達(dá)20℃左右;鄭州市東北郊,淺層含水層為黃河沖積物,埋藏較淺,顆粒較粗且松散,導(dǎo)水性能好,黃河側(cè)滲補(bǔ)給強(qiáng)烈,淺層地溫場溫度較低,另外,在鄭州市地下水降落漏斗區(qū),因地下水位埋深較大,水溫略偏高.淺層地溫場特征見表2.

表2 淺層地溫場特征值表

地溫增溫率:根據(jù)井中垂向測溫資料,市區(qū)東北一帶增溫率為2.13℃/100m,小于正常地?zé)嵩鰷芈?可能與淺層地下水補(bǔ)給速度快有關(guān);市區(qū)西南一帶增溫率為3.53℃/100m.

從本區(qū)淺層地溫場特征來看,地下水溫度變化范圍在熱泵系統(tǒng)要求范圍內(nèi),可以滿足熱泵應(yīng)用要求.

4 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

地溫空調(diào)系統(tǒng)以電能為輔助能源,將地下淺層地溫的低位能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫母呶荒?實現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷,又能將部分熱量加以利用形成生活熱水.通常消耗1kW的電能,地溫空調(diào)系統(tǒng)可獲取4kW的熱量或冷量,這要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省1/3以上的能量;水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定,其制冷制、熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.0,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運行費用為普通中央空調(diào)的50%～60%,足見水源熱泵的節(jié)能性.地溫空調(diào)系統(tǒng)不僅具有較高的GOP(能效比)值,還在一定程度上解決了洗浴用水的供應(yīng)問題.

以河南省老干部療養(yǎng)院地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為例:河南省老干部療養(yǎng)院共施工地溫空調(diào)井8眼,其中抽水井3眼,回灌井5眼,井間距12～15m,空調(diào)應(yīng)用面積22000m2.冬、夏季均使用120天,夏季室內(nèi)溫度降低12℃,冬季室內(nèi)溫度升高20℃.運行效果較好.其經(jīng)濟(jì)效益對比見表3.

表3 省老干部療養(yǎng)院地溫空調(diào)與其他空調(diào)效益對比表

從以上各表可看出,利用熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)崮?能夠節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境,投資運行成本低,社會效益及經(jīng)濟(jì)效益明顯.

淺層地?zé)崮苁且环N清潔的,可再生的能源,是國家要求大力探索和發(fā)展的新能源.隨著我國能源結(jié)構(gòu)政策的調(diào)整和地源熱泵技術(shù)的逐步提高完善,城市對淺層地?zé)崮苄枨蟛粩嗉哟?淺層地?zé)崮芩嫉谋戎匾矊⒂鷣碛?

5 熱泵系統(tǒng)運行對地下水環(huán)境的影響

5.1 對地下水溫度的影響

鄭州地區(qū)地溫空調(diào)井抽水井中水溫一般約16～20℃,回水管道中水溫在供暖期一般在10～15℃,比抽水井中地下水溫度低2～7℃;制冷期一般在18～25℃,比抽水井中地下水溫度高1～8℃.根據(jù)對地溫空調(diào)井中水溫度監(jiān)測,地溫空調(diào)運行時對地下水溫度階段性影響較明顯:受回灌水溫度的影響,制冷期地下水溫度略有升高,供暖期略有下降.但在一個完整的制冷與供暖周期內(nèi)(圖3、4),地溫空調(diào)井回灌對地下水溫度持續(xù)性影響不明顯.

5.2 對地下水水質(zhì)的影響

根據(jù)兒童醫(yī)院地溫空調(diào)井制冷期運行前(5月5日)、運行期間(8月21日)及運行(10月29日)后的水質(zhì)全分結(jié)果,并收集了2003年8月份水質(zhì)資料進(jìn)行對比,見表4.

表4 兒童醫(yī)院地溫空調(diào)井不同時段下水水質(zhì)對比表

變化較為明顯的成分主要有Na+、Mg2+、Cl-、SO、HCO、NO等,與2003年(收集資料)相比,總體以含量升高為主,并引起總硬度、礦化度等指標(biāo)的升高.變化最大的NO含量升高了4倍以上.但就本次采取的3組水樣對比來看,各組分卻呈現(xiàn)出運行期含量較低,運行期前后含量較高的現(xiàn)象,且總體上有所降低.

6 結(jié)論

⑴鄭州市平原區(qū)含水層巖性為中砂、中細(xì)砂,富水性好,可滿足地下水源熱泵供水與回灌需求.

⑵鄭州市地下水溫度一般18～20℃,適宜地下水源熱泵運行.地下水中化學(xué)組分除硬度外,基本滿足水源熱泵水質(zhì)需要,個別元素局部超標(biāo).

⑶鄭州市地下水源熱泵應(yīng)用效果較好,經(jīng)濟(jì)社會效益明顯,適宜熱泵推廣應(yīng)用.

⑷地溫空調(diào)運行時對地下水溫度階段性影響明顯,但在一個完整的制冷和供暖周期內(nèi),地下水溫度沒有明顯的持續(xù)性變化.地溫空調(diào)運行過程中應(yīng)注意防護(hù),以減少可能對地下水造成的污染.

綜上所述,地下水源熱泵在鄭州市應(yīng)用較為適宜.但在使用過程中應(yīng)加強(qiáng)地下水監(jiān)測管理,以確保地下水完全回灌,同時為研究熱泵系統(tǒng)運行對地下水環(huán)境的長期影響提供資料,促進(jìn)地源熱泵技術(shù)健康發(fā)展.

[1] 趙 軍,戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.(Zhao Jun, Dai Chuanshan.Geothermal heat pump technique and architecture energy saving application [M].Beijing∶ China achitecture industry press, 2007).

[2] 中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會.地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集.第一集[M].北京:中國大地出版社,2007.( Professional committee of geothermal resource utilization, association of Chinese resource utilization.Proceedings of geothermal energy and geothermal heat pump technique application, volume 1 [M].Beijing∶ China land press, 2007).

[3] 國土資源部地質(zhì)環(huán)境司組織編寫.淺層地?zé)崮?全國地?zé)?淺層地?zé)崮?開發(fā)利用現(xiàn)場經(jīng)驗交流論文集[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.( Geological environment department of ministry of land and resources.Shallow geothermal energy- Proceedings of national conference of geothermal energy development and utilization experiences communication [M].Beijing∶ Geology press, 2007).

[4] 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京市地質(zhì)勘查技術(shù)院編著.北京淺層地溫能資源[M].北京:中國大地出版社, 2008.( Beijing geological mineral survey and exploitation bureau, Beijing geological survey technique institute, etal.Shallow geothermal energy of Beijing [M].Beijing∶ China land press, 2008).