张掖地区水文地质条件对水源热泵系统的适宜性分析

2013-01-18魏莉莉张汉婷

地下水 2013年6期

关键词：张掖源热泵热泵

魏莉莉，张汉婷，毛岳，钱会

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710654;2.甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，甘肃张掖734000)

张掖地区水文地质条件对水源热泵系统的适宜性分析

魏莉莉1，2，张汉婷1，毛岳2，钱会1

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710654;2.甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，甘肃张掖734000)

通过对张掖地区与水源热泵系统相关的水文地质条件的分析，采用层次分析法并结合MapGis等软件，通过对数据的归纳分析并进行耦合，经深入研究和分析得出该地区水文地质条件对水源热泵系统的适宜性分区，研究区以乌江—地区福利院—二十里铺一线为界，其东北部水文地质条件不适宜地下水源热泵的利用，而其西南部适宜水源热泵的开发利用。

张掖城区;水文地质条件;水源热泵;层次分析法;MapGis;适宜性分区

自2008年以来，地处干旱区内陆的张掖城区及其周边地区积极响应国家节能减排及新能源开发利用的号召，借助于当地地下水资源丰富、易开采的优越条件，大力兴建水源热泵集中供暖系统，并得到了省市有关部门的大力支持。经过三年多建设，水源热泵系统(groundwater heat pump，简称GWHP)已经在该区取得了一定的发展，但由于水文地质条件所限，在一些不适宜区盲目建设水源热泵系统，不仅使其工效不能充分发挥而使成本增加，而且浪费了宝贵的地下水资源，甚者可能引起地下水污染。因此，本文就张掖地区水文地质条件对水源热泵系统适宜性进行初步分析。

1 水源热泵工作原理

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能所形成的低温低位热能资源，并采用热泵技术，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵机组工作原理是利用其压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量(如电能)，在压缩机和换热系统内循环制冷剂的共同作用下，由环境热源(如水、空气)中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质(如水、空气)中成为高温热源输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生不同的变化状态和不同的效果(即蒸发吸热和冷凝放热)，从而达到回收低温热源制取高温热源的作用和目的。

地下水源热泵系统的低位热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热，提高品位后，对建筑物供暖，把低位热源中的热量转移到需要供热的地方，取热后的地下水通过回灌井回到地下。夏季，生产井与回灌井交换，将室内余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。它取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式，不向外界排放任何废气、废水、废渣，使人们远离粉尘、废气和霉菌，是一种理想的“绿色环保能源技术”。

2 水源热泵与水文地质条件的关系

在规划应用及设计水源热泵系统参数之前，必须对当地水文地质条件有一个清晰的认识，主要包括以下几个内容［5］:

(1)地下水200 m范围以浅的含水层结构，其中包括各含水层厚度、岩性、渗透系数、导水系数、释水系数、给水度等，在有显著越流发生的情况下需要相邻弱透水层的越流系数等水文地质参数值;

(2)地下水径流、补给与排泄条件及富水性;

(3)地下水水温;

(4)地下水水质。

水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。

水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素，一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定，所选择的地下水量应满足负荷要求。如果其他各种条件均具备，但水量略有不足，其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。就某项具体工程而言，应从实际情况出发，判断是否具备可利用的充足水源。由于不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别，可利用的水源和水量各不相同，应因地制宜地论证方案的可行性并进行经济分析。

但就地下水源热泵机组来说，正常工作的冷(热)源温度范围为［3］:10℃ ～25℃。若低于 10℃，冬季供暖时，为满足建筑物供热负荷，热泵机组将需要从更多的地下水热源中吸取热量，这将意味着增加抽灌水量，加大热泵工作强度等等，这都将导致投资成本增加，电能消耗过多，热泵寿命减少。反之，若高于25℃，夏季空调时吸取屋内的热量全部转化到地下水源中，水温升高将不利于热泵散热;过高的温度还会破坏地下水水化学平衡，从而导致地下水污染。

水质的好坏影响着几乎所有的热泵系统的组成部分以及他们之间的相互关系。如含沙量过高，则容易对机组和管阀造成磨损，堵塞含水层，使回灌困难，造成资源浪费;当pH值小于7，地下水呈酸性，这就意味着水中H+含量较高，在没有空气进入的循环水中，会引起腐蚀铁的阴极反应，反之pH值＞8时，这种反应的速度将明显降低;当pH值＜5时，会使高强度低合金钢中的硫加速裂化，并使其他合金元素与铁发生耦合，低的pH值还会使不锈钢失去纯性，腐蚀水泥;氢氧化物(游离 CO2、HCO3+、CO32+)会降低水的pH值，从而加剧水的腐蚀性;氯离子在很大程度上促进了碳的腐蚀，对高强度低合金钢、不锈钢等金属具有不同程度的腐蚀性。水源热泵系统对水质的要求见表1。

供水的稳定与否将意味着水源热泵能否持续正常的发挥作用，是热泵充分发挥功效的基础，否则一切无从谈起。

表1 地下水源热泵对水质要求

3 张掖城区及周边地区水文地质条件

3.1 地下水含水层类型

张掖地区区域上属河西走廊拗陷的张掖盆地，地下水含水层类型均属第四系松散岩类孔隙水［4］。以梁家墩—东家当铺—城区的靖安公路为界，含水层岩性在水平方向的变化为:西部为较单一的大厚度砂粒卵石层，地下水主要以潜水为主;东部含水介质则为粘性土与砂砾卵石层的交互层，地下水主要以上部潜水下部承压水为主。

3.2 地下水补给、径流和排泄

该区在区域上主要受南部祁连山区降水及融雪补给河流出山口后，在洪积扇顶部第四系强导水带大量“线状”入渗到张掖盆地地下水，其次为降雨、侧向流入补给等。在地形和补给源控制下，盆地地下水寻两个方向向平原区径流，一是沿黑河偏西方向的径流，二由民乐山口方向向平原区的径流。这使地处平原区的张掖城区及其周边地带形成一个由南、西、东向北方向的径流场。主要排泄方式为泉水溢出、蒸发、侧向流出、人工开采。

区内含水层大致以黑河乌江大桥—城区—上秦镇为界，北东为泉水溢出带，地下水埋深一般小于3 m，局部地带埋深小于1 m，而成为泉水溢出带;向南东地下水埋深逐渐增大至10～30 m以下。

3.3 含水层的富水性和导水性

该区富水性呈规律性变化，由南西到北东含水层富水性由强到弱，城区以南、以西单井涌水量(降深5 m，下同)大于10 000 m3·d－1;城区北东方向，单井涌水量逐渐递减，至山丹河两侧单井涌水量小于600 m3·d－1。该区的导水性也从城区西南方向到北东方向逐渐减弱，城区以南导水系数大于5 000 m3·d－1，向北东逐渐递减为 5 000 ～3 000 m3·d－1、3 000 ～1 000 m3·d－1。

3.4 地下水化学性质

受张掖盆地地下水补给、径流、排泄条件及区域水文地球化学特征的影响和制约，张掖地区地下水地球化学特征存在明显的分带规律:乌江—张掖城区—上秦以南，地下水化学类型为HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+;矿化度一般小于0.5 g/L;北部张掖火车站—市福利院—三闸—刘家桥广大地带，地下水化学类型为HCO3+—Mg2+—Ca2+，局部地段为HCO3+—SO42－—Mg2+—Ca2+类型，矿化度一般为 0.3 ～ 0.5 g/L，山丹河及其北东地带地下水化学类型为SO2－—4，矿化度一般大于 0.5 g/L。

3.5 地下水水温

根据以往钻孔实测资料，该区50 m以下地下水水温基本恒定，约11.5℃ ～13℃，基本不受大气温度的影响，符合水源热泵系统温度要求。

4 水文地质条件对水源热泵系统适宜性分析

根据以上对张掖市区及周边与地源热泵相关水文地质条件的分析，用层次分析法(AHP)并结合MapGis等软件对各要素指标层进行分区，同时赋值，最终耦合并修正各要素指标层，为评价该地区水源热泵水文地质条件适宜性进行划分并成图。

4.1 评价要素及其权重值的确定

该区属于干旱半干旱地区，地下水是主要的水资源，合理的保护和利用地下水资源是当地水资源管理的主要任务。而水源热泵系统主要存在回灌难的问题，含水层的地下水位埋深及单位涌水量是影响回灌的最直接的两个因素，水位埋深越小回灌难度越大，单位涌水量越大越容易回灌。地下水矿化度过高，容易引起回灌井井壁因沉积多种水垢使回灌难度加大。鉴于该区水温基本恒定，对水源热泵影响较小，取较小的权重指标值。

4.1.1 建立系统递接层次结构

选取影响地源热泵系统工效的四个重要因素:单位涌水量、水温、水质及水位埋深作为评价因子，其中水质主要以矿化度为指标。层次结构如图1所示。

图1 层次结构图

4.1.2 各阶层权重计算

基于对当地水文地质条件及已有地下水源热泵工程的调研结果，采用三标度法(即1，2，3)表示出因子间的重要性，从而组成因子间的比较矩阵，并采用极差法构造判断矩阵，经一致性检验合格，计算出各阶层权重。

结合计算结果及实际工程效果评判，各因子权重指标值如表2。

表2 各要素权重指标值

4.2 综合要素指标值确定

在对水文地质要素综合分析的基础上，根据公式

确定综合要素指标值，

式中:R为综合要素指标值;ai为评价因子的权值;Xi为评价因子参数，等于S(di/dmax);n为评价参数的个数。

di取值原则:评价分数介于1～10之间，分数越高，表明选定因子的该分区内越有利于建造地下水地源热泵系统;分数越低，则表明选定因子的该分区内越不利于建造地源热泵系统(见表3—表6)。

表3

表4

表5

4.3 适宜性评价结果

评价因子和评价方法确定后，根据各指标值并考虑现有条件下该地区已有地下水水源热泵的运行情况，对各区指标数据进行修正并加以耦合，确定综合指标值与适宜性的关系(表7)，并进行适宜性分区(如图4示):研究区以乌江—地区福利院—二十里铺一线为界，其东北部因地下水埋深浅，回灌难度大，不适宜地下水源热泵的开发利用，而其西南部地下水埋深较深，回灌难度小，且富水性好，水质也较好，适宜水源热泵的开发利用。

5 结语

近年来，张掖地区水源热泵系统工程的应用发展迅速，不少应用工程不事先进行工程建设适宜性评价和水资源论证，盲目使用水源热泵系统而出现了回灌难、功效低等问题，从而造成了地下水资源的浪费。本文针对以上问题，对该地区水文地质条件对水源热泵的适宜性进行分区，希望给相关部门制定水源热泵区域规划提供参考依据。需要指出的是，影响水源热泵功效的因素本文讲到的水文地质条件外，井的布置、成井结构、回灌方式、热泵系统的安装等等均对水源热泵的运行效果产生很大的影响，在考虑使用热泵系统的同时，要对这些因素进行进一步的研究。