魏莉莉，張漢婷，毛 岳，錢 會

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710654;2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000)

張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對水源熱泵系統(tǒng)的適宜性分析

魏莉莉1，2，張漢婷1，毛 岳2，錢 會1

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710654;2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖734000)

通過對張掖地區(qū)與水源熱泵系統(tǒng)相關(guān)的水文地質(zhì)條件的分析，采用層次分析法并結(jié)合MapGis等軟件，通過對數(shù)據(jù)的歸納分析并進(jìn)行耦合，經(jīng)深入研究和分析得出該地區(qū)水文地質(zhì)條件對水源熱泵系統(tǒng)的適宜性分區(qū)，研究區(qū)以烏江—地區(qū)福利院—二十里鋪一線為界，其東北部水文地質(zhì)條件不適宜地下水源熱泵的利用，而其西南部適宜水源熱泵的開發(fā)利用。

張掖城區(qū);水文地質(zhì)條件;水源熱泵;層次分析法;MapGis;適宜性分區(qū)

自2008年以來，地處干旱區(qū)內(nèi)陸的張掖城區(qū)及其周邊地區(qū)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排及新能源開發(fā)利用的號召，借助于當(dāng)?shù)氐叵滤Y源豐富、易開采的優(yōu)越條件，大力興建水源熱泵集中供暖系統(tǒng)，并得到了省市有關(guān)部門的大力支持。經(jīng)過三年多建設(shè)，水源熱泵系統(tǒng)(groundwater heat pump，簡稱GWHP)已經(jīng)在該區(qū)取得了一定的發(fā)展，但由于水文地質(zhì)條件所限，在一些不適宜區(qū)盲目建設(shè)水源熱泵系統(tǒng)，不僅使其工效不能充分發(fā)揮而使成本增加，而且浪費了寶貴的地下水資源，甚者可能引起地下水污染。因此，本文就張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對水源熱泵系統(tǒng)適宜性進(jìn)行初步分析。

1 水源熱泵工作原理

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芩纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵技術(shù)，通過少量的電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

水源熱泵機(jī)組工作原理是利用其壓縮機(jī)的作用，通過消耗一定的輔助能量(如電能)，在壓縮機(jī)和換熱系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)制冷劑的共同作用下，由環(huán)境熱源(如水、空氣)中吸取較低溫?zé)崮?，然后轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)崮茚尫胖裂h(huán)介質(zhì)(如水、空氣)中成為高溫?zé)嵩摧敵?。在此因壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)做工而消耗了電能，壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統(tǒng)中產(chǎn)生不同的變化狀態(tài)和不同的效果(即蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱)，從而達(dá)到回收低溫?zé)嵩粗迫「邷責(zé)嵩吹淖饔煤湍康摹?/p>

地下水源熱泵系統(tǒng)的低位熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。熱泵機(jī)組冬季從生產(chǎn)井提供的地下水中吸熱，提高品位后，對建筑物供暖，把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱的地方，取熱后的地下水通過回灌井回到地下。夏季，生產(chǎn)井與回灌井交換，將室內(nèi)余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。它取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式，不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，使人們遠(yuǎn)離粉塵、廢氣和霉菌，是一種理想的“綠色環(huán)保能源技術(shù)”。

2 水源熱泵與水文地質(zhì)條件的關(guān)系

在規(guī)劃應(yīng)用及設(shè)計水源熱泵系統(tǒng)參數(shù)之前，必須對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有一個清晰的認(rèn)識，主要包括以下幾個內(nèi)容［5］:

(1)地下水200 m范圍以淺的含水層結(jié)構(gòu)，其中包括各含水層厚度、巖性、滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、釋水系數(shù)、給水度等，在有顯著越流發(fā)生的情況下需要相鄰弱透水層的越流系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)值;

(2)地下水徑流、補給與排泄條件及富水性;

(3)地下水水溫;

(4)地下水水質(zhì)。

水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。

水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關(guān)鍵因素，一項工程所需水量多少由該工程負(fù)荷與機(jī)組性能確定，所選擇的地下水量應(yīng)滿足負(fù)荷要求。如果其他各種條件均具備，但水量略有不足，其缺口可采取一定輔助彌補措施解決。如水量缺口較大，不能滿足負(fù)荷要求，就應(yīng)考慮其他方案。就某項具體工程而言，應(yīng)從實際情況出發(fā)，判斷是否具備可利用的充足水源。由于不同工程的場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件千差萬別，可利用的水源和水量各不相同，應(yīng)因地制宜地論證方案的可行性并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

但就地下水源熱泵機(jī)組來說，正常工作的冷(熱)源溫度范圍為［3］:10℃ ～25℃。若低于 10℃，冬季供暖時，為滿足建筑物供熱負(fù)荷，熱泵機(jī)組將需要從更多的地下水熱源中吸取熱量，這將意味著增加抽灌水量，加大熱泵工作強(qiáng)度等等，這都將導(dǎo)致投資成本增加，電能消耗過多，熱泵壽命減少。反之，若高于25℃，夏季空調(diào)時吸取屋內(nèi)的熱量全部轉(zhuǎn)化到地下水源中，水溫升高將不利于熱泵散熱;過高的溫度還會破壞地下水水化學(xué)平衡，從而導(dǎo)致地下水污染。

水質(zhì)的好壞影響著幾乎所有的熱泵系統(tǒng)的組成部分以及他們之間的相互關(guān)系。如含沙量過高，則容易對機(jī)組和管閥造成磨損，堵塞含水層，使回灌困難，造成資源浪費;當(dāng)pH值小于7，地下水呈酸性，這就意味著水中H+含量較高，在沒有空氣進(jìn)入的循環(huán)水中，會引起腐蝕鐵的陰極反應(yīng)，反之pH值＞8時，這種反應(yīng)的速度將明顯降低;當(dāng)pH值＜5時，會使高強(qiáng)度低合金鋼中的硫加速裂化，并使其他合金元素與鐵發(fā)生耦合，低的pH值還會使不銹鋼失去純性，腐蝕水泥;氫氧化物(游離 CO2、HCO3+、CO32+)會降低水的pH值，從而加劇水的腐蝕性;氯離子在很大程度上促進(jìn)了碳的腐蝕，對高強(qiáng)度低合金鋼、不銹鋼等金屬具有不同程度的腐蝕性。水源熱泵系統(tǒng)對水質(zhì)的要求見表1。

供水的穩(wěn)定與否將意味著水源熱泵能否持續(xù)正常的發(fā)揮作用，是熱泵充分發(fā)揮功效的基礎(chǔ)，否則一切無從談起。

表1 地下水源熱泵對水質(zhì)要求

3 張掖城區(qū)及周邊地區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地下水含水層類型

張掖地區(qū)區(qū)域上屬河西走廊拗陷的張掖盆地，地下水含水層類型均屬第四系松散巖類孔隙水［4］。以梁家墩—東家當(dāng)鋪—城區(qū)的靖安公路為界，含水層巖性在水平方向的變化為:西部為較單一的大厚度砂粒卵石層，地下水主要以潛水為主;東部含水介質(zhì)則為粘性土與砂礫卵石層的交互層，地下水主要以上部潛水下部承壓水為主。

3.2 地下水補給、徑流和排泄

該區(qū)在區(qū)域上主要受南部祁連山區(qū)降水及融雪補給河流出山口后，在洪積扇頂部第四系強(qiáng)導(dǎo)水帶大量“線狀”入滲到張掖盆地地下水，其次為降雨、側(cè)向流入補給等。在地形和補給源控制下，盆地地下水尋兩個方向向平原區(qū)徑流，一是沿黑河偏西方向的徑流，二由民樂山口方向向平原區(qū)的徑流。這使地處平原區(qū)的張掖城區(qū)及其周邊地帶形成一個由南、西、東向北方向的徑流場。主要排泄方式為泉水溢出、蒸發(fā)、側(cè)向流出、人工開采。

區(qū)內(nèi)含水層大致以黑河烏江大橋—城區(qū)—上秦鎮(zhèn)為界，北東為泉水溢出帶，地下水埋深一般小于3 m，局部地帶埋深小于1 m，而成為泉水溢出帶;向南東地下水埋深逐漸增大至10～30 m以下。

3.3 含水層的富水性和導(dǎo)水性

該區(qū)富水性呈規(guī)律性變化，由南西到北東含水層富水性由強(qiáng)到弱，城區(qū)以南、以西單井涌水量(降深5 m，下同)大于10 000 m3·d－1;城區(qū)北東方向，單井涌水量逐漸遞減，至山丹河兩側(cè)單井涌水量小于600 m3·d－1。該區(qū)的導(dǎo)水性也從城區(qū)西南方向到北東方向逐漸減弱，城區(qū)以南導(dǎo)水系數(shù)大于5 000 m3·d－1，向北東逐漸遞減為 5 000 ～3 000 m3·d－1、3 000 ～1 000 m3·d－1。

3.4 地下水化學(xué)性質(zhì)

受張掖盆地地下水補給、徑流、排泄條件及區(qū)域水文地球化學(xué)特征的影響和制約，張掖地區(qū)地下水地球化學(xué)特征存在明顯的分帶規(guī)律:烏江—張掖城區(qū)—上秦以南，地下水化學(xué)類型為HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+;礦化度一般小于0.5 g/L;北部張掖火車站—市福利院—三閘—劉家橋廣大地帶，地下水化學(xué)類型為HCO3+—Mg2+—Ca2+，局部地段為HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+類型，礦化度一般為 0.3 ～ 0.5 g/L，山丹河及其北東地帶地下水化學(xué)類型為SO2－—4，礦化度一般大于 0.5 g/L。

3.5 地下水水溫

根據(jù)以往鉆孔實測資料，該區(qū)50 m以下地下水水溫基本恒定，約11.5℃ ～13℃，基本不受大氣溫度的影響，符合水源熱泵系統(tǒng)溫度要求。

4 水文地質(zhì)條件對水源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

根據(jù)以上對張掖市區(qū)及周邊與地源熱泵相關(guān)水文地質(zhì)條件的分析，用層次分析法(AHP)并結(jié)合MapGis等軟件對各要素指標(biāo)層進(jìn)行分區(qū)，同時賦值，最終耦合并修正各要素指標(biāo)層，為評價該地區(qū)水源熱泵水文地質(zhì)條件適宜性進(jìn)行劃分并成圖。

4.1 評價要素及其權(quán)重值的確定

該區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，地下水是主要的水資源，合理的保護(hù)和利用地下水資源是當(dāng)?shù)厮Y源管理的主要任務(wù)。而水源熱泵系統(tǒng)主要存在回灌難的問題，含水層的地下水位埋深及單位涌水量是影響回灌的最直接的兩個因素，水位埋深越小回灌難度越大，單位涌水量越大越容易回灌。地下水礦化度過高，容易引起回灌井井壁因沉積多種水垢使回灌難度加大。鑒于該區(qū)水溫基本恒定，對水源熱泵影響較小，取較小的權(quán)重指標(biāo)值。

4.1.1 建立系統(tǒng)遞接層次結(jié)構(gòu)

選取影響地源熱泵系統(tǒng)工效的四個重要因素:單位涌水量、水溫、水質(zhì)及水位埋深作為評價因子，其中水質(zhì)主要以礦化度為指標(biāo)。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 各階層權(quán)重計算

基于對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件及已有地下水源熱泵工程的調(diào)研結(jié)果，采用三標(biāo)度法(即1，2，3)表示出因子間的重要性，從而組成因子間的比較矩陣，并采用極差法構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗合格，計算出各階層權(quán)重。

結(jié)合計算結(jié)果及實際工程效果評判，各因子權(quán)重指標(biāo)值如表2。

表2 各要素權(quán)重指標(biāo)值

4.2 綜合要素指標(biāo)值確定

在對水文地質(zhì)要素綜合分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式

確定綜合要素指標(biāo)值，

式中:R為綜合要素指標(biāo)值;ai為評價因子的權(quán)值;Xi為評價因子參數(shù)，等于S(di/dmax);n為評價參數(shù)的個數(shù)。

di取值原則:評價分?jǐn)?shù)介于1～10之間，分?jǐn)?shù)越高，表明選定因子的該分區(qū)內(nèi)越有利于建造地下水地源熱泵系統(tǒng);分?jǐn)?shù)越低，則表明選定因子的該分區(qū)內(nèi)越不利于建造地源熱泵系統(tǒng)(見表3—表6)。

表3

表4

表5

4.3 適宜性評價結(jié)果

評價因子和評價方法確定后，根據(jù)各指標(biāo)值并考慮現(xiàn)有條件下該地區(qū)已有地下水水源熱泵的運行情況，對各區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并加以耦合，確定綜合指標(biāo)值與適宜性的關(guān)系(表7)，并進(jìn)行適宜性分區(qū)(如圖4示):研究區(qū)以烏江—地區(qū)福利院—二十里鋪一線為界，其東北部因地下水埋深淺，回灌難度大，不適宜地下水源熱泵的開發(fā)利用，而其西南部地下水埋深較深，回灌難度小，且富水性好，水質(zhì)也較好，適宜水源熱泵的開發(fā)利用。

5 結(jié)語

近年來，張掖地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)工程的應(yīng)用發(fā)展迅速，不少應(yīng)用工程不事先進(jìn)行工程建設(shè)適宜性評價和水資源論證，盲目使用水源熱泵系統(tǒng)而出現(xiàn)了回灌難、功效低等問題，從而造成了地下水資源的浪費。本文針對以上問題，對該地區(qū)水文地質(zhì)條件對水源熱泵的適宜性進(jìn)行分區(qū)，希望給相關(guān)部門制定水源熱泵區(qū)域規(guī)劃提供參考依據(jù)。需要指出的是，影響水源熱泵功效的因素本文講到的水文地質(zhì)條件外，井的布置、成井結(jié)構(gòu)、回灌方式、熱泵系統(tǒng)的安裝等等均對水源熱泵的運行效果產(chǎn)生很大的影響，在考慮使用熱泵系統(tǒng)的同時，要對這些因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖2 張掖地區(qū)水文地質(zhì)條件對水源熱泵的適宜性分區(qū)圖

表7 水文地質(zhì)條件對水源熱泵適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

［1］建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司.2007全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能篇——暖通空調(diào)·動力［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007.

［2］淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范(DZ/T 0225－2009)［S］.中華人民共和國國土資源部.2009－07－29發(fā)布.

［3］建設(shè)部、質(zhì)檢局.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB－50366－2005)［S］.北京.中國建筑工業(yè)出版社.

［4］魏余廣等.張掖市區(qū)地下水資源及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報告［R］.甘肅省地礦局第二水文地質(zhì)工程隊.1993.

［5］王貴玲、劉云等.地下水源 熱泵應(yīng)用適宜性評價體系研究［J］.研究討論.2011，6(3).

［6］韓春陽、潘俊等.沈陽城區(qū)水源熱泵適宜性評價［J］.地下水.2011，3期33卷.

［5］王亞斌.天津市水源熱泵系統(tǒng)水文地質(zhì)條件適宜性評價方法研究［A］.地溫資源與地源熱泵技術(shù)論文集(第一集)［C］.北京:2007，72 －79.

［6］曹琦.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水文地質(zhì)條件構(gòu)造之間的關(guān)系［A］.地溫資源與地源熱泵技術(shù)論文集(第一集)［C］.北京:2007，46 －53.

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1004－1184(2013)06－0069－03

2013－07－22

魏莉莉(1985－)，女，甘肅皋蘭人，在讀碩士研究生，研究方向:地下水科學(xué)與工程。