郑州市地下水源热泵应用适宜性与环境影响分析

田良河,刘新号,闫震鹏,焦红军,杨 坡,谭菊萍

(河南省地质调查院, 郑州 450001)

0 引言

上个世纪70年代以来,能源和环境危机日趋严重.人们开始寻求传统能源之外的清洁、可再生的替代能源.正是在这种情况下,以清洁、可再生的浅层地热能为能源的地源热泵引起了人们的关注.地源热泵是一种先进的技术,它高效、节能、环保,有利于可持续发展.正是热泵技术使浅层地热资源得到有效利用.而地源热泵应用也日益广泛,并且受到各级政府的重视.

地源热泵系统包括地下水地源热泵系统与地埋管地源热泵系统.郑州市浅层地热能的开发利用多采用地下水源热泵,土壤源热泵利用才刚起步.浅层地热能主要应用于包括宾馆、住宅、商场、写字楼、学校、医院、别墅、厂房等建筑节能方面.

近年来,郑州市地下水源热泵应用发展迅速,在开发利用中也存在很多问题.如,不能完全回灌造成水资源浪费,井间距过小或抽回水量过大,造成运行期间地下水水温急剧升高(夏季)或降低(冬季),影响热泵系统运行效果,此外,地温空调运行对环境的影响问题也有待研究.

1 地温空调应用现状

1.1 地温空调井基本情况

近年来,郑州市地下水源热泵技术发展迅速,现有浅层地热能中央空调用户百余家,抽回灌井200余眼,井深一般100～150m左右.个别小于80m或大于150m,市区东部和东北部井深较浅,市区西部和地下水降落漏斗区井深稍深.孔径一般500～600mm,井径一般300mm左右.单井出水量一般20～70m3/h,最大达100m3/h.

郑州市地温空调井因所处地貌位置不同,井深和开采层位有所不同.京广线以东为黄河冲积平原,井深一般较浅,开采层位一般为全新统、上更新统和中更新统砂层,含水层岩性为中细砂、细砂等,厚度20～40m,埋深一般在100m以上,由于这里水位埋藏较浅,故抽水水量较大,而回灌效果不佳.市中心附近,地下水埋藏较深,开采层位可达中更新统和下更新统砂层中.市区西部为塬前冲洪积倾斜平原区,井深一般稍深,开采层位主要为上更新统、中更新统和下更新统砂层,含水层岩性为细砂、中细砂、砂砾石,厚度25～50m,砂及砂砾石层局部钙质胶结成砂岩,影响空调井的出水量和回灌量.

一般一组空调井需一眼抽水井和两眼回灌井.抽水井和回灌井间距一般20～30m,部分小于15m或大于30m.

1.2 地温空调系统运行效果

一般制冷期为5月底至9月底,供暖期为11月上旬至次年3月上旬.供热期间,井水进主机温度一般15～19℃,出主机温度一般45～55℃,回灌水温度8～15℃.室外环境温度-5～0℃时,室内环境温度可达到20℃左右;制冷期间,井水进主机温度一般16～20℃,出主机温度一般8～12℃,回灌水温度19～27℃.室外环境温度33～37℃时,室内环境温度可达到21℃左右.

2 水文地质特征

2.1 储水介质特征及富水性

郑州市200m以浅松散地层岩性主要为第四系全新统、上更新统、中更新统冲积(局部为冲洪积的粉质粘土、粉土夹砂层;京广铁路以西,90～120m以下为下更新统或新近系粘土与砂互层.顶板埋深由西部的20～40m至东部的10m左右;底板埋深:西部以新近系湖冲(洪)积中厚层含砾中、粗砂为底界,埋深120～140m,其中含水层厚度40～60m;东部以中更新世中部黄河冲积厚层中、细砂为界,埋深160m左右,其中含水层厚度50～110m(图1).

含水层富水性可划分为三个区:强富水区分布于东北部沿黄一带,含水层以粗砂为主,夹中砂或细砂,顶板埋深4～23m,降深5m单井涌水量3000～5000m3/d,局部大于5000m3/d.水位埋深一般5～10m;富水区分布于整个平原区,含水层岩性由中砂、粗砂、细砂及少量砂砾石组成,单井涌水量1000～3000m3/d,个别大于3000m3/d.水位埋深由东部的小于5m向西部逐渐增加为大于20m;弱富水区分布于袁河、郭小寨、西胡垌一带,含水层岩性为中细砂,局部夹有粉砂,单井出水量19.8m3/h,水位埋深大于50m(图2).

2.2 地下水循环特征

垂向上接受降水入渗、地表水渗漏补给,通过开采排泄.于开采量大于垂向补给量,在市区范围内形成了水位降落漏斗(最大水位埋深80.4m);水平上主要为来自北部黄河河道带和西部的侧向径流补给.

2.3 含水层回灌能力

含水层的回灌能力是影响地下水源热泵适宜性的主要条件之一.地下水回灌量的大小受成井结构与质量、水文地质条件等多种因素影响,回灌能力与含水层颗粒大小、富水性、水位埋深等有密切关系.根据已完成的"河南省重点城市浅层地热能评价与开发利用研究"成果,按单井回灌量进行将郑州市200m以浅含水层回灌能力分为4个区(图2).总体来看,回灌能力由沿黄一带冲积平原区的1500～3000m3/h向西南丘陵区逐渐减弱至小于500m3/h.

综合含水层富水性与回灌能力,郑州市除西南部丘陵区外,其他地段均适宜或较适宜地下水源热泵应用.

2.4 水化学类型与化学组分特征

郑州市区地下水水化学类型主要为HCO3型,自西南丘陵区向北、东北、东南方向,大致分为HCO3-Ca、HCO3-Ca.Mg和HCO3-Na.Ca(Mg)型三个区,反映出了水化学类型由丘陵区逐渐向平原区过渡的分布规律.

地下水中影响热泵系统运行效果和使用寿命的主要化学组分特征值见表1.

表1 郑州市地下水化学组分特征值表

3 浅层地温场特征

根据郑州市潜水位以下2m深处水温观测结果,市区一带地下水埋深较大、温度稍高,一般18～20℃,局部大于20℃;向外围逐渐降低至16～18℃.郑州市西郊地下水埋藏较深,含水层颗粒较细,局部呈胶结状,导水性较差,地下水水温较高,200m深水井的地下水温可达20℃左右;郑州市东北郊,浅层含水层为黄河冲积物,埋藏较浅,颗粒较粗且松散,导水性能好,黄河侧渗补给强烈,浅层地温场温度较低,另外,在郑州市地下水降落漏斗区,因地下水位埋深较大,水温略偏高.浅层地温场特征见表2.

表2 浅层地温场特征值表

地温增温率:根据井中垂向测温资料,市区东北一带增温率为2.13℃/100m,小于正常地热增温率,可能与浅层地下水补给速度快有关;市区西南一带增温率为3.53℃/100m.

从本区浅层地温场特征来看,地下水温度变化范围在热泵系统要求范围内,可以满足热泵应用要求.

4 经济环境效益分析

地温空调系统以电能为辅助能源,将地下浅层地温的低位能量转变为可利用的高位能,实现冬季供暖、夏季供冷,又能将部分热量加以利用形成生活热水.通常消耗1kW的电能,地温空调系统可获取4kW的热量或冷量,这要比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃料锅炉节省1/3以上的能量;水源热泵的热源温度全年较为稳定,其制冷制、热系数可达3.5～4.0,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50%～60%,足见水源热泵的节能性.地温空调系统不仅具有较高的GOP(能效比)值,还在一定程度上解决了洗浴用水的供应问题.

以河南省老干部疗养院地下水源热泵空调系统为例:河南省老干部疗养院共施工地温空调井8眼,其中抽水井3眼,回灌井5眼,井间距12～15m,空调应用面积22000m2.冬、夏季均使用120天,夏季室内温度降低12℃,冬季室内温度升高20℃.运行效果较好.其经济效益对比见表3.

表3 省老干部疗养院地温空调与其他空调效益对比表

从以上各表可看出,利用热泵技术开发利用浅层地热能,能够节约能源,保护环境,投资运行成本低,社会效益及经济效益明显.

浅层地热能是一种清洁的,可再生的能源,是国家要求大力探索和发展的新能源.随着我国能源结构政策的调整和地源热泵技术的逐步提高完善,城市对浅层地热能需求不断加大,浅层地热能所占的比重也将愈来愈高.

5 热泵系统运行对地下水环境的影响

5.1 对地下水温度的影响

郑州地区地温空调井抽水井中水温一般约16～20℃,回水管道中水温在供暖期一般在10～15℃,比抽水井中地下水温度低2～7℃;制冷期一般在18～25℃,比抽水井中地下水温度高1～8℃.根据对地温空调井中水温度监测,地温空调运行时对地下水温度阶段性影响较明显:受回灌水温度的影响,制冷期地下水温度略有升高,供暖期略有下降.但在一个完整的制冷与供暖周期内(图3、4),地温空调井回灌对地下水温度持续性影响不明显.

5.2 对地下水水质的影响

根据儿童医院地温空调井制冷期运行前(5月5日)、运行期间(8月21日)及运行(10月29日)后的水质全分结果,并收集了2003年8月份水质资料进行对比,见表4.

表4 儿童医院地温空调井不同时段下水水质对比表

变化较为明显的成分主要有Na+、Mg2+、Cl-、SO、HCO、NO等,与2003年(收集资料)相比,总体以含量升高为主,并引起总硬度、矿化度等指标的升高.变化最大的NO含量升高了4倍以上.但就本次采取的3组水样对比来看,各组分却呈现出运行期含量较低,运行期前后含量较高的现象,且总体上有所降低.

6 结论

⑴郑州市平原区含水层岩性为中砂、中细砂,富水性好,可满足地下水源热泵供水与回灌需求.

⑵郑州市地下水温度一般18～20℃,适宜地下水源热泵运行.地下水中化学组分除硬度外,基本满足水源热泵水质需要,个别元素局部超标.

⑶郑州市地下水源热泵应用效果较好,经济社会效益明显,适宜热泵推广应用.

⑷地温空调运行时对地下水温度阶段性影响明显,但在一个完整的制冷和供暖周期内,地下水温度没有明显的持续性变化.地温空调运行过程中应注意防护,以减少可能对地下水造成的污染.

综上所述,地下水源热泵在郑州市应用较为适宜.但在使用过程中应加强地下水监测管理,以确保地下水完全回灌,同时为研究热泵系统运行对地下水环境的长期影响提供资料,促进地源热泵技术健康发展.

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