【理论】地下水地源热泵系统对地下水的影响及对策！
来源:地源热泵服务联盟
摘要:地源热泵系统是一种可持续发展的绿色能源技术，地下水地源热泵系统作为地源热泵系统中的一种形式，相较于其他地源热泵系统有相比效率更高，投资低的优点，但对地下水的影响也是最大的。本文通过认真分析地下水地源热泵系统建成运营后地下水的渗流场、温度场、水化学场的变化，指出这些变化可能会引发的地质环境和环境问题，并提出工程防治措施。
前言
随着现代科技的发展，环境和能源问题日益突出，实施环境保护和可持续发展能源战略已越来越受到国际社会和我国政府的重视。地源热泵系统作为一种可持续发展的绿色能源技术，有着高效、节能、环保的特点，因此，近年来在国内外得到了日益广泛的应用。
“地源热泵”的概念最先由瑞士Zoelly于1912年提出。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985年美国安装地源热泵14000台，1997年则安装了45000台，1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19％以上，其中在新建筑里面占30％，并且以每年20％的速度递增。在全世界，到2005年地源热泵已在33个国家安装了130万台装置，总装机15723MWt，是2000年的2.98倍，合每年累进增长24.4%，占世界地热直接利用总装机容量的56.5%，已是地热供暖份额14.9%的3.8倍。
在我国，地源热泵系统的研究起始于20世纪80年代，在1997年开始学习和引进欧洲产品，出现了大规模的地下水源热泵采暖工程项目，到1999年底，全国大约有100套地下水源热泵供热或制冷系统。2006年，伴随《可再生能源法》的实施，地源热泵系统作为一项节能又环保的绿色能源技术，成了国内建筑节能及暖通空调界热门的研究课题，少数经济发达城市的政府部门也已经开始有计划、有规模的做技术推广工作。
地源热泵系统是指以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
地下水地源热泵系统作为地源热泵系统中的一种形式，相较于其他地源热泵系统有相比效率更高，初期投资低的优点，目前受到广泛关注。但由于地下水地源热泵系统利用地下水资源，不可避免的会使得当地的地质、水文地质和工程地质条件产生变化，如不合理开发利用地下水资源，就会出现地质环境和环境问题，而这些问题往往是灾难性和无法恢复弥补的。
因此，本文主要通过了解地下水地源热泵系统的工作方式以及其对工程地质和水文地质的要求，认真分析地下水地源热泵系统建成运营后地下水的渗流场、温度场、水化学场的变化，在此基础上，指出这些变化可能会引发的地质环境和环境问题，并提出工程防治措施。
1. 概述
1.1 工作原理
地下水地源热泵系统是指与地下水进行热交换的地热能交换系统，主要分室外地热能交换系统、水源热泵机组和建筑物内系统三个部分。主要工作原理:由于地表以下恒温带至200m埋深，温度低于25℃，远高于冬季的室外空气温度，也低于夏季的室外空气温度，具有较大的热容量。地下水地源热泵系统就利用热泵机组冬季从室外生产井抽取的地下水，在建筑物内系统中循环，把低位热源中的热量转移到建筑物内需要供暖的地方，取热后的地下水通过回灌井回到地下。夏季，则生产井与回灌井交换，而将室内余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的，另外还可以起到养井的作用。
1.2 分类
地下水地源热泵系统有许多不同的分类方式，根据地下水的回灌方式可将地下水地源热泵系统分为直流式、同井回灌和异井回灌三种方式。
1)、直流式
直流式地下水地源热泵系统(见图1示意图)没有回灌井，只有抽水井，取热后的地下水直接利用或排入地表水体。这种地下水地源热泵一般应用在地下水能得到及时补给的地方，但如果补给不及时、不充分就会严重破外当地的地下水资源。因此现在已很少使用。
图1 直流式地下水地源热泵系统示意图
2)、异井回灌
异井回灌地下水地源热泵系统的抽水井和回灌井分开设置，根据系统负荷量及需水量的大小，地层的出水能力和回灌能力来设计抽水井和回灌井的数量，抽灌井可为一抽一灌(见图2示意图)、一抽多灌或多抽多灌。对于抽水井及回灌井处于同一含水层，回灌良好的异井回灌，从理论上讲其只是利用了地下水的低位热能，而没有破坏可开采的地下水量。因此国内地下水地源热泵项目中这种异井回灌系统应用较为广泛。
图2 直流式地下水地源热泵系统示意图
3)、同井回灌
同井回灌地下水地源热泵系统(见图3示意图)是近几年国内提出的一种新型的地下水地源热泵，该系统将抽水井和回灌井集成在同一口井中，通过隔板把井分成上下两部分，一部分是低压(吸水)区,另一部分为高压(回灌)区。当系统运行时，地下水从低压区被抽出，与热泵换热，再返回同井的高压区与含水层换热，使抽水和回灌在同一径向位置不同深度处同时发生。同井回灌系统的优势:不需要广泛详细的水文地质调查，简化设计，减少水井数量，占用场地少，节约投资费用；不需要大量抽取地下水，在地下水资源贫乏的地区也能工作。
图3 同井回灌地下水地源热泵系统示意图
1.3水文地质勘察要求
由于各地区地质和水文地质条件的复杂性和多变性，导致各地区岩(土)层的导热性和水文地质参数差异巨大，在一个地区能成功应用的地下水地源热泵系统，在另一地区往往并不适用。因此，水文地质勘察是地下水地源热泵技术的核心，也是地下水地源热泵项目能否成功应用于实践的关键。
水文地质勘察应根据地下水地源热泵系统对水量、水温和水质的要求，对工程场区的水文地质条件进行勘察，确定地下水类型，了解含水层岩性、分布、埋深、厚度、富水性、渗透性以及地下水径流方向、速度和水力坡度，测量地下水水温及其分布，取水样，检测地下水水质，观测地下水水位动态变化。
为计算含水层水文地质参数，地下水换热系统勘察应进行水文地质试验。试验一般包括:抽水试验，回灌试验，测量出水水温，取分层水样并化验分析分层水质，水流方向试验。
不同类型的地下水地源热泵系统对水文地质的要求也不同，直流式要求能够及时、充分的补给地下水资源的流失，适合与地下水资源丰富的地区；同井回灌对地下水水量要求不高，能够被用于地下水资源匮乏的地区。
2. 地下水地源热泵系统对地下水的影响
2.1 直流式地下水地源热泵系统
直流式地下水地源热泵系统在运行过程中只取不灌，适用于地下水资源丰富而且流失的水资源能得到及时、充分的补给的地区。系统刚开始运行时会在在抽水井附近会形成一个降水漏斗，破坏地下水补、排平衡，经过一段时间的运行会形成新的平衡。但长期大量的开采地下水资源，补给量小于排泄量，造成区域地下水水位降低，就会导致地面沉降、地裂缝和地面塌陷等地质灾害的发生。
2.2 异井回灌地下水地源热泵系统
异井回灌地下水地源热泵系统虽然有一抽一灌、一抽多灌和多抽多灌的抽灌形式，但其工作方式均相同，抽水井和回灌井分开设置处于同一含水层。考虑系统运行对地下水的影响，我们从地下水的渗流场、温度场和水化学场的变化来分析。
1)、渗流场的变化
地下水地源热泵系统夏季制冷和冬季供暖运行时，必然会改变区域地下水原始流场。在抽水井周围地下水等水位线呈“漏斗”状，相反在回灌井周围地下水等水位线呈“锥”状(见图4抽、灌井运行后地下水流场变化示意图)。在抽、灌井运行后，“漏斗”附近地下水能否及时补给，回灌井中的地下水能否及时排泄，是保证地源热泵正常运行的关键。若严格按照要求实行地下水100%回灌到原含水层的话，总体来说地下水的供补是平衡的，局部的地下水位的变化也远小于没有回灌的情况，所以一般不会因抽灌地下水而产生地面沉降、地裂缝和地面塌陷等地质灾害。因此，地下水能否顺利回灌的是地下水地源热泵正常运行的关键因素，也是防止地下水资源遭到破坏的重要措施。
影响地下水回灌效果的突出问题是回灌井的堵塞和溢出。
回灌井的堵塞主要原因有悬浮物堵塞、微生物生长、化学沉淀、气泡堵塞、粘粒的膨胀和扩散、含水层细颗粒重组。
图4 抽、灌井运行后地下水流场变化示意图
对于地下水回灌，渗透系数是回灌难易程度的决定因素，如果回灌水量较大，渗透性能不好的含水层，在回灌时井中地下水难以及时的渗出，会出现地下水溢出现象。在真空回灌时，对于第四纪松散沉积层，颗粒细的含水层单位回灌量一般为开采量的(1/3)～(1/2)，而颗粒粗的含水层则为(1/2)～(2/3)[7]。
2)、温度场的变化
地下水温度场受回灌水渗流场和含水层的热物性所控制，具体的说，随着回灌水在含水层中的缓慢流动，回灌水的温度会逐步与地下水常温趋一致，也就是地下水温度在含水层中会有一个“温度影响半径”，其大小受到回灌量、回灌温度与地下常温的差值、地下水的渗透速度、含水层的热物性等因素控制。由于回灌水的温度异于地下水常温，在回灌井周边会形成一个以回灌井为中心的温度场，在夏季中心的温度为高点，在冬季中心的温度为低点(见图5冬季运行时地下水温度场示意图)。
图5 冬季运行时抽水井地下水温度场示意图
如果抽、灌井之间的距离小于“温度影响半径”，回灌水将会影响抽水井附近的水温，导致在夏季制冷期，抽水井处的温度将升高，而在冬季供暖期，抽水井处的地下水温度降低，其结果最终会导致地下水地源热泵系统的运行效率降低。整个地源热泵运行期间应保持地下取热地层中的热均衡，避免出现热污染或热亏损，地下温度逐年持续升高或降低，导致系统无法长期运行。
3)、水化学场的变化
地下水水化学场受回灌水的水质和水量、地下水温度场变化等因素的影响。在回灌井附近，由于回灌的地下水在进入热泵机组循环前，将处理地下水中一些对系统有影响的离子，使得回灌水中这些离子的含量下将，而地下水在建筑物系统中循环时，不可避免的会带上建筑物系统所用管材的成份，假如使用铁管会增加水中的铁离子等，抽水井和回灌井人工填砾成份送对水质也有影响，随着回灌水在含水层中流动和扩散，与水中的离子发生物理、化学反应，改变水中离子成份，使得水中水化学场发生变化，破坏原有的化学平衡，污染地下水。
为了解地热空调系统对地下水水质的影响，2001年夏季，对山西临汾市信合大楼抽水井和回灌井(采用铁质管道)回扬水进行了水质分析分析，结果表明，原地下水完全符合国家饮用水标准，钙离子和硫酸根离子的含量分别增加了550／JD28％，总铁量增加了13倍，硫酸根离子和铁分别超标0.26和1.30倍。
地下水温度场在夏季回灌水的温度高，土壤和水中的一些嗜热微生物活性增强，加快生长速度，促进新陈代谢，冬季回灌井附近的温度较低，微生物的新陈代谢速度放缓，而回灌井改变原来的恒温状况，温度不停的变化，破坏原有的生物平衡，不能建立新的平衡，使得地下水中的化学成分发生变化，污染地下水。
2.3 同井回灌地下水地源热泵系统
1)、温度场变化
同井回灌地下水地源热泵系统核心技术是抽灌同井，即回灌的水会与原来地下水进行混合后又被抽出用于热泵循环，温度变化是其主要的变化，而温度变化主要原因是热贯通问题，即回灌水的温度会使抽水的温度升高，抽水温度的变化是否在可接受的范围内，是系统考虑的主要问题。
热贯通根据抽水响应速度分成瞬变热贯通[10]和缓变热贯通[11]两种。瞬变热贯通产生的原因主要由于井内隔断封堵不严、砾料回填不紧密或者井周围存在竖向渗透性很强的含水层分区，导致回灌水没有足够时间参与含水层的换热而直接进入抽水口。缓变热贯通主要是由于含水层内回灌水给抽水口传热引起的。在同等取热条件下，受瞬变热贯通影响，抽水口水温度随负荷的变化而变化，取热负荷大时，地下水的温度降低，负荷小时就会升高；受缓变热贯通影响，抽水口水温度只会缓慢下降，而不会出现水温的升高。
如果系统存在缓变热贯通，在大负荷运行时回灌水的取热、吸热使得抽水温度快速降低、升高，会降低地源热泵的效率；如果缓变热贯通程度超过设计容许范围，也会降低地源热泵的效率，甚至导致地源热泵无法使用。同井回灌实际上是将含水层作为一种蓄热的载体，常年取热量和放热量严重不平衡，会使含水层富积或亏损能量，不利于地源热泵的取热和放热，将导致系统无法长期运行。
2)、渗流场变化
同井回灌地下水地源热泵系统在运行时，也同样会改变井附近的地下水原始流场。在回灌区周围地下水等水位线呈“锥”状，但由于抽、灌同井，抽水区能够得到及时的补给，所以等水位线不会出现明显的“漏斗”状(见图6抽、灌井运行后地下水流场变化示意图)，局部的地下水位的变化较小，不会因破坏地下水资源而导致地面沉降、地裂缝和地面塌陷等地质灾害。因此，地下水回灌效果是地下水地源热泵正常运行的关键因素，也是防止地下水资源遭到破坏的重要措施。同井回灌地下水地源热泵系统回灌效果的影响因素与异井回灌地下水源热泵系统相同。
3)、水化学场变化
同井回灌地下水地源热泵系统导致地下水水化学场变化同样受回灌水的水质和水量、地下水温度场变化等因素的影响，其变化的机理与异井回灌地下水地源热泵系统相同，但由于同井回灌，回灌水对抽水口水质有影响，所以其水质变化幅度相较于异井回灌较低。
图6 抽、灌运行后地下水流场变化示意图
3. 地下水防治措施
3.1 直流式地下水地源热泵系统
在我国地下水是比较紧缺、宝贵的资源，大部分城市由于不合理利用地下水资源已经出现地面沉降、地裂缝等地质灾害现象，虽然直流式地下水地源热泵系统初期投资少、地下水循环中可以利用等优点，但为了保护地下水资源，建议尽量不选取这种方案。
采用直流式地下水地源热泵系统方案，一定要做好前期勘察工作，详细查明地层的水文地质参数、物理性质、热物理性质、水质等情况，在建成运营后要定期观测，并作好详细记录，对出现的水位、水量变化进行分析，防止不合理的开发利用。
3.2 异井回灌地下水地源热泵系统
1)、查明含水层的水文地质参数、物理性质、热物理性质、水质等情况。
2)、为防止回灌井堵塞，在成井过程中一定要洗好井，清除井内悬浮物，一旦出现堵塞现象，一般通过回灌井回扬水，反复抽注水，来消除微生物生长、化学沉淀、气泡、粘粒的膨胀和扩散等导致的堵塞，并使含水层细颗粒重组。如果还是不能很好的解决，可以重新洗井来清除。
3)、建议要经常开泵进行回杨，清除回灌井中的异物，回杨次数和持续时间取决于含水层的颗粒大小和渗透系数，一般在岩溶裂隙含水层中的回灌井，长期不回扬，回灌能力仍能维持不变，在松散大颗粒含水层中的回灌井，每周最少要回扬一次，在中细颗粒含水层中的回灌井，相应的回灌次数要增加，经常回扬[9]。
4)、针对地下水溢出的可能，要得出准确的含水层渗透系数，确定回灌井数量，如还是有溢出现象，考虑是否是堵塞引起。另外，还可以适当增加回灌井。
5)、在地下水地源热泵系统运营过程中要定期检测地下水水质，一旦发现水质恶化，要立即查明原因，如管材的影响，可重新更换耐腐蚀管材。如解决不了水质恶化的问题，应立即停用。
3.3 同井回灌地下水地源热泵
1)、查明含水层的水文地质参数、热物理性质、水质等情况，特别是竖向渗透率。
2)、严格控制成井质量，防止因井内隔断封堵不严和砾料回填不紧密等质量问题出现瞬变热贯通。
3)、合理设计水井，避开竖向渗透率大的地层，避免出现瞬变热贯通,利用弱透水层降低缓变热贯通的程度。
4)、在导致回灌堵塞因素和地下水水质恶化上，同井回灌与异井回灌的作用机理相同，其防治措施也可通用。
4.结论和建议
4.1 结论
1)、地源热泵系统是一种节能、环保的绿色能源技术，有着广阔的发展前景。
2)、地下水地源热泵系统作为地源热泵系统中的一种形式，相较于其他地源热泵系统有相比效率更高，投资低的优点，目前受到广泛关注。
3)、根据回灌形式的不同，将地下水地源热泵系统分为直流式、异井回灌和同井回灌三种形式，分别阐述其工作机理。
4)、直流式地下水地源热泵系统对地下水资源破坏较大，目前已很少使用。
5)、同井回灌作为一种新型的地下水地源热泵系统，有抽灌同井发生热贯通的缺点，但通过合理设计可以有很大程度的克服。
6)、异井回灌和同井回灌对地下水均有一定的负面影响，但通过管理和工程措施能够防治。
4.2 建议
1)、本文对地下水地源热泵系统对地下水的影响只进行定性分析，没有进行量化分析，以后要进行更进一步研究。
2)、如果在城市中大规模使用地下水地源热泵系统，会对地下水资源产生何种影响，有待更进一步研究。
3)、相对于地下水地源热泵系统，地埋管地源热泵系统对地下水的影响更小，在实际工程种建议尽量使用地埋管地源热泵系统。
4)、地下水资源是紧缺、宝贵的资源，因此在地下水地源热泵系统一定要考虑如何合理有效的利用地下水资源。
参考文献:
[1]张群力, 王晋. 地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分析[J]. 流体机械, 2003,31(5): 50-54.
[2]郑克棪. 浅层地热能开发利用的世界现状及在我国的发展前景[C]. 全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会论文集.北京: 地质出版社, 2007.1.
[3]倪龙, 封家平, 马最良. 地下水源热泵的研究现状和进展[J].建筑热能通风空调, 2004,23(2): 26-31.
[4]中国建筑科学研究院. 地源热泵系统工程技术规范[G].中国建筑工业出版社出版发行. 2005.
[5]倪龙, 马最良.地下水地源热泵回灌分析[J]. 暖通空调HV&AC,2006年, 第36卷, 第6期: 84 ..
[6]武晓峰, 唐杰. 地下水人工回灌与再利用[J]. 工程勘察, 1998(4):37－39.
[7]孙颖, 苗礼文. 北京市深井人工回灌现状调查与前景分析[J]. 水文地质工程地质, 2002(1):21－23.
[8]王立发. 传统水文地质勘察技术在水源热泵市场的应用[C]. 全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会论文集. 北京: 地质出版社, 2007.1.
[9]廉翔. 地源热泵空调系统对地下水资源的影响及对策[J]. 华北水利水电学院学报, 第25卷, 第1期, 2004.3:41－43.
[10]倪龙, 马最良. 北京市某同井回灌地下水地源热泵工程现场试验研究[J]. 暖通空调HV&AC,2006年第36卷第10期: 86-92.
[11]倪龙, 马最良, 孙丽颖. 同井回灌地下水源热泵热力特性分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2006,27(2): 229-234.
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