潍坊市区地下水源热泵供热潜能分析及工程管理

叶 芳，曹 彬，王维平

(1.山东省潍坊市水利局，山东 潍坊261031;2.济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250022)

地下水源热泵是一种新型的空调方式，具有高效节能、绿色环保等特点，近年来越来越受到关注。该技术自2000年左右在潍坊市区开始推广应用，发展速度较快。从工程实践来看，大部分地下水源热泵项目运行状况良好，节能减排效果明显。为了更好的实现城市的合理供暖，必须对市区进行地下水源热泵适宜性分区，确定适宜区范围并计算出适宜区内可利用地下水热能储量。在此基础上，制定合理的城市供暖规划，指导地下水源热泵的推广应用，实现节能减排的最终目标。此外，在目前地下水源热泵的使用过程中，由于技术上的不足和操作中的不规范，仍然存在少部分工程运行效率低下并有可能诱发水文地质问题［1］。地下水源热泵行业仍处于起步阶段，管理基础还比较薄弱，缺乏有效的监督管理，还可能带来地下水资源浪费和破坏等问题。针对这种情况，必须采取有效措施来解决这些问题，进行地下水源热泵适宜性分区和加强管理工作显得尤为重要。

1 潍坊市区地下水源热泵应用现状

潍坊市区从2000年左右开始大力推广地下水源热泵技术，近年来发展非常迅速。截至2010年底，市区范围内已经建成或正在施工的地下水源热泵服务建筑面积达100多 万m2，服务对象主要包括学校、医院、大型写字楼及住宅小区等。潍坊鲁伟公司龙居园小区、潍坊市人民医院、潍城区直机关宿舍等项目建筑面积均超过10万 m2。据统计，在地下水源热泵系统中约有30%为冬夏两用热泵系统。从工程实践来看，大部分项目经济、社会和环境效益显著，节能减排效果明显。鉴于当前潍坊市政府政策上的大力扶植和专项资金补助，加上越来越多成功案例经验的积累促成技术上的不断完善，可以预见，在未来几年内，潍坊市区地下水源热泵工程仍将会保持快速增长趋势。

2 潍坊市区地下水源热泵适宜性分区

地下水源热泵适宜性分区是进行地下水源热泵规划工作的重要依据，对地下水源热泵的建设和发展具有重要的指导意义。

表1 地下水源热泵系统应用项目列表

2.1 潍坊市区水文地质状况

潍坊市区处于鲁中山区北部，水文地质条件较为复杂，不同构造的地貌单元、不同地层岩性组合，使地下水的形成分布、赋存运移和富水程度差异很大，地下水水化学特征比较复杂。市区南部分布着透水性微弱的第三系、白垩系火山岩、砂砾岩及前震旦纪的变质岩系，富水性弱，从而减少了对山前冲洪积平原的地下水补给量。北部山前冲洪积平原含水层沉积厚度较大，富水性强。据此可将市区地下水含水岩组划分为基岩裂隙水含水岩组和第四系孔隙水含水岩组。

(1)基岩裂隙水含水岩组:分布于市区南部丘陵区，主要指第三系玄武岩、白垩纪火山岩、砂砾岩和前震旦纪变质岩系的风化裂隙水。该含水岩组风化层厚度在20米左右，富水性较弱且季节性变化大，地下水水质较好。

(2)第四系孔隙水含水岩组:广泛分布在市区中部和北部，以更新统冲洪积层分布最广。第四系地层厚度自北部的100多 m到中部为50 m，含水层厚度不均，一般为3～5 m，含水性较弱。更新统冲洪积层厚度一般为20～40 m，岩性自上到下分为5层，厚度和透水性见表2。

表2 更新统冲洪积层岩性特征

第四系孔隙水含水岩组地下水水质良好，矿化度一般为0.5～ 1.0 g/L。

2.2 适宜区划分

根据潍坊市区的水文地质状况，综合考虑含水层类型、地下水资源量和含水层可回灌性等因素，确定按照以下原则对潍坊市区进行地下水源热泵适宜性分区:①含水层为富水性较好的中、粗砂层或第三系玄武岩;②含水层单位降深涌水量不小于300 m3/(d/m);③含水层有效导水系数高，具有较好的可回灌性。根据上述原则进行分区，得出潍坊市区的地下水源热泵适宜区主要分布在奎文区和潍城区东部、寒亭区西部、坊子区西北部和高新技术开发区西部。滨海经济区地下水资源贫乏，含水层全部为粉砂和细砂，可回灌性差，不适宜建设地下水源热泵工程。

3 地下水热能储量计算

根据适宜区划分结果，可以对潍坊市区地下水源热泵适宜区进行热储量计算，从而分析潍坊市区地下水源热泵的供能潜力。

对研究区内地下水热能储量计算可以采取“热储法”。

研究区地下水热储总量公式为:

式中:QR为研究区地下水热储总量(KJ);A为热储面积(km2);d为地下储水层平均计算厚度;T为地下水平均温度(℃);T0为基准温度(℃);C为热储岩石和地下水的平均比热容(KJ/m3℃);

式中:ρα和ρβ分别是热储岩石和地下水的密度(kg/m3);Cα和Cβ分别是热储岩石和地下水的比热(KJ/m3℃);φ是热储岩石的孔隙度。

参数确定:热储平均温度取18℃;

基准温度可根据观测资料和本地气象资料，取全年平均温度 12.3℃;

岩石密度和比热分别取2 500 kg/m3和4 200 KJ/m3℃;

岩石孔隙率可取0.15。

根据地层结构及含水层状况可将潍坊市区地下水源热泵适宜区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个分区。Ⅰ区位于适宜区的中部，即白浪河冲积扇的主体部位，砂层分布广泛，第四系含水层富水性强。Ⅱ区位于Ⅰ区东侧，以取用第三系玄武岩中的裂隙水及其底部松砂岩的孔隙水为主，区域内富水性差异较大。Ⅲ区位于Ⅰ区西侧，第四系砂层零星分布，第三系玄武岩厚度较大，区域内富水性也有较大差异。

适宜区三个分区的面积、含水层计算厚度及热储量计算结果见表3。

表3 潍坊市区适宜区热储量计算表

根据计算结果，得出潍坊市区地下水源热泵适宜区总面积为 186.846 km2，占总规划用地面积 245.24 km2的76.1%，地下水热能储存量16.772×1013kJ，相当于572万 t标准煤的总发热量。若可利用量按10%，单位供热耗煤量按20 kg/m2，地下水源热泵系统COP按4.0计算，得出潍坊市区地下水源热泵供热潜力为冬季供暖面积约3 800万m2。

4 目前地下水源热泵使用中存在的问题

我国为规范地源热泵行业颁布的新国标GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》已于2006年1月1日开始施行。然而由于受到水文地质条件以及技术水平的限制，目前相当数量的地下水源热泵工程难以完全按照国家标准执行。地下水源热泵工程的使用中还存在很多问题。

1)回灌措施难以落实。由于缺少有效的监管措施和处罚制度，回灌与否和用户经济利益没有直接关系，因此很多用户不重视回灌工作，造成回灌措施难以落实［3］。

2)回灌效率不高。目前大部分地下水源热泵项目都是按照1:1的抽灌井数目进行打井，导致实际的回灌量很难达到抽水量。在抽灌井数1:1的情况下，大多数项目的回灌量仅为抽水量的20%～50%，在回灌条件较好的岩溶地区也不过60% ～80%，不能回灌到地下的水不得不从地表排放［4］。

3)存在地质灾害风险。如果不能保证可靠的回灌，大量采用地下水源热泵很可能会引发地面沉降等问题，在沿海地区还可能造成海水入侵［5］。

4)地下水资源浪费。由于回灌井难以将抽取的地下水全部回灌，部分地下水会从地表排入下水道，而且回灌井必须要回扬，回扬的水也通过下水道排走，从而造成了地下水资源的浪费。

5)存在污染地下水的风险。目前地下水源热泵的地下水回路都不是严格意义上的密封系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池，都会使外界的空气与地下水接触，导致地下水氧化。另外回灌水接触到管网的铁锈、设备的油污等也容易造成地下水的污染。

5 地下水源热泵管理措施

在解决技术问题的基础上，管理部门还需要采取有效的管理措施，加强监管力度，来保障地下水源热泵行业的规范健康发展。根据潍坊市区的地下水源热泵行业管理现状，提出以下建议，希望能够强化监管，保证地下水源热泵的顺利推广和发展。

1)严格控制审批程序。管理部门在地下水源热泵项目审批过程中要严格把关，对于处于地下水资源贫瘠区域或者地质结构不适宜区域以及设计不达标的项目，坚决不允许进行施工。水利部门要加强地下水资源的管理与保护，以建设项目水资源论证为抓手，严格控制地下水源热泵工程的取水许可审批。

2)征收水资源费。对各地下水源热泵工程实行一井一阀，安装水表监测其抽水量和回灌量，对于不能回灌到地下的水量，水利部门要征收水资源费，以此来督促回灌，保护地下水资源。

3)加强动态监测工作。加强监测系统建设和相关动态信息的监测工作，实时掌握地下水源热泵系统运行工况信息，及时发现潜在的问题，为相关研究提供基础资料。

4)加强从业人员的培训工作。开展从业和管理人员培训，提高他们的业务水平，保证工程设计和施工的安全性。

［1］张群力，王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用中的问题分析［J］.流体机械，2003，31(5):26-28.

［2］杨爱，刘圣春.我国地源热泵的研究现状及展望［J］.制冷与空调，2009，9(4):78-82.

［3］李高建，胡云叶，朱秀斌.地源热泵技术的研究与应用现状［J］.制冷与空调，2007，21(4):34-37.

［4］李世君，刘文臣，辛宝东.北京地区地下水源热泵利用现状及存在问题［J］.城市地质，2006，1(1):47-49.

［5］刘立才，王理许，丁跃元，王金生.水源热泵抽灌井布局及其运行过程中地下温度变化［J］.水文地质工程地质，2007，34(6):44-46.